Savaiminio susitvarkymo reiškiniai ir jų fizikiniai modeliai
(0)
Daugelis mūsų esame skaitę ar girdėję apie nanotechnologijas, nanomediciną, nanoinžineriją. Nanoinžinerija iš esmės yra labai mažų (nanometro eilės matmenų) dalelių inžinerija. Tai gali būti nedideli atomų klasteriai ir molekulės. Įdomu, jog kai kurios molekulės arba nanodalelės pasižymi tam tikromis savybėmis, kurios padeda joms savaime susirikiuoti į tvarkingas struktūras be jokio papildomo išorinio poveikio, vien tarpusavio sąveikos dėka.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Šis reiškinys vadinamas savaiminiu susitvarkymu ir gali būti stebimas tiek su labai mažomis medžiagos dalelėmis, tiek su didelių matmenų objektais, pavyzdžiui, robotikoje.
Kurdami naujas medžiagas ir technologinius procesus, mokslininkai dažnai semiasi idėjų iš gamtoje vykstančių reiškinių. Gamta „konstruoja“ įvairias gyvybines medžiagas ir biologinius audinius nanolygiu, jungdama molekulę prie molekulės su stebėtinu tikslumu. Susidaro dideli molekuliniai dariniai, kurie po to atlieka tarsi molekulinių lego kaladėlių funkciją. Pavyzdžiui, savaime susidarantys lipidų bisluoksniai suformuoja biologines membranas, kurios atlieka ląstelių apvalkalų vaidmenį gyvuose organizmuose ir užtikrina gyvybiškai svarbias funkcijas. Kiti biologinių susitvarkymų pavyzdžiai – dviejų DNR molekulių susivijimas į ilgą dvigubą grandinėlę, baltymų molekulių išsilankstymas.
Kokios priežastys lemia molekulių polinkį formuoti taisyklingas struktūras? Savitvarkos reiškinių varomoji jėga yra sudedamųjų dalių (molekulių) cheminis ir struktūrinis suderinamumas, kurio dėka tarp molekulių gali susidaryti silpnos nekovalentinės sąveikos: vandenilinis ryšys, van der Valso ryšys, elektrostatinė ir elektromagnetinė sąveika, π-π ryšys ir kt. Šios sąveikos ir sujungia laisvas molekules į stambesnes struktūras, vadinamas supramolekuliniais ansambliais. Paprastai kalbant, molekulių savaiminis susitvarkymas, joms jungiantis arba pasisukant, vyksta dėl to, kad susitvarkydama molekulių sistema sumažina savo energiją, nes tvarkingos būsenos energija visuomet yra mažesnė. Panašiai kompaso rodyklė visuomet pasisuka šiaurės-pietų kryptimi – nes tokia orientacija atitinka mažiausią elektromagnetinės sąveikos su Žemės magnetiniu lauku energiją. Kaip konkrečiai išsidėsto molekulės, priklauso nuo išorinių eksperimento parametrų – temperatūros, molekulių koncentracijos, molekulių formos ir dydžio. Idealus eksperimentas būtų toks, kuriame galėtume visiškai kontroliuoti molekulių susitvarkymą. To kaip tik ir siekiama atliekant tiek eksperimentinius, tiek teorinius mokslinius tyrimus.
Savaiminio susitvarkymo principu dažnai pagrįsta naujų nanomedžiagų sintezė mokslinėse laboratorijose, taip išvengiant būtinybės dėlioti nanostruktūras iš pavienių molekulių. Nors techniniu požiūriu yra įmanoma pavienes molekules stumdyti ant paviršiaus ir taip formuoti nanostruktūras ir net veikiančius mažyčius prietaisus, tačiau tokios gamybos trukmė ir kaštai būtų neišmatuojami. Taigi, praktiniu požiūriu dauguma nanostruktūrų yra per smulkios, kad jas gamintų pramoniniai robotai. Pasinaudojant savaiminiu molekulių arba nanodalelių susitvarkymu, norimas struktūras galima gauti žymiai greičiau. Kartu šiam metodui būdinga ir labai gera skiriamoji geba – molekulės išsidėsto nanometro tikslumu arba dar tiksliau. Tokiu būdu jau yra sukurta daug inovatyvių nanomedžiagų, kurios taikomos įvairiose srityse. Ant metalų paviršių užauginami porėti, labai ploni – vieno atomo storio – sluoksniai, vadinami monosluoksniais, kuriuose visos molekulės yra tvarkingai išsidėsčiusios. Į monoluoksnio poras (tuštumas) galima įterpti įvairias kitas molekules, kurios turi naudingų fizikinių savybių ir gali atlikti tam tikras funkcijas.
Molekulines struktūras bandoma panaudoti molekulinėje elektronikoje, kuriant elektroninius loginius ir atminties įrenginius, skirtus informacijos saugojimui. Monosluoksniai, gauti savaime susitvarkant molekulėms, iš principo gali būti naudojami fotonikoje (ekranai, saulės elementai) ir dujų biojutikliuose, mechanikoje, biotechnologijoje. Tai leidžia projektuoti vis mažesnius elektroninius ir mechaninius prietaisus. Naujausiuose moksliniuose tyrimuose molekuliniai monosluoksniai naudojami kaip padėklas su tvarkinga paviršiaus struktūra, ant kurio auginamos nanodalelės. Vis dėlto, norint plačiau pritaikyti savaime susitvarkančius molekulinius sluoksnius ar paviršius, iškyla sunkiai sprendžiamų problemų. Nanostruktūros ir molekuliniai sluoksniai yra tvarkingi mažame plotelyje, tačiau ta tvarka nelabai išsilaiko didesniais atstumais, sluoksnis tampa lyg sudėtas iš mažų tvarkingų gabalėlių. Kitaip tariant, suku išlaikyti erdvinį susitvarkymo tikslumą ir vienodumą. Tai viena iš pagrindinių problemų, kurias šiuo metu stengiasi išspręsti mokslininkai.
Savaiminio susitvarkymo procesų praktinio panaudojimo galimybės neapsiriboja vien tik biotechnologijomis ar nanomedžiagomis. Mokslininkai, tiriantys šiuos procesus ir medžiagas, mano, jog ateityje atsiras taikymų ir kitose srityse: programavimo technologijose, robotikoje, pramonėje, transporto technologijose, infrastruktūroje, statyboje, menuose ir netgi kosmoso technologijose.
Fizinių ir technologijos mokslų centro Puslaidininkių fizikos institute Vilniuje atliekami teoriniai savaime susitvarkančių sistemų tyrimai. Plėtojami statistiniai fazinių virsmų modeliai, kurie aprašo įvairias sąveikas tarp organinių molekulių arba apibendrintų dalelių, išsidėsčiusių viename molekuliniame sluoksnyje. Naudojant šiuos modelius, atliekami didelės apimties kompiuteriniai Monte Karlo skaičiavimai, kurie leidžia prognozuoti molekulių elgseną, stebėti susidarančias naujas struktūras (fazes), nustatyti, kurios iš jų dominuoja esant tam tikrai temperatūrai, kokie faziniai virsmai būdingi tai sistemai. Praktinė tokių teorinė tyrimų reikšmė yra ta, kad jie padeda paaiškinti arba naujai interpretuoti eksperimentų rezultatus, numatyti tolimesnes tyrimų kryptis.
Vienas iš paprasčiausių, tačiau kartu ir plačiai naudojamų modelių yra Izingo modelis, kuris tiesiog aprašo tarpusavio sąveiką tarp dalelių, išdėstytų gardelės mazguose. Norint išspręsti tokį modelį – sužinoti, kokia tvarka molekulės susirikiuos – yra įvedami kai kurie supaprastinimai. Tarpatominė sąveika molekulės viduje yra ignoruojama, t.y. molekulės įsivaizduojamos kaip geometrinės formos (pvz., sferos arba trikampiai), turinčios ribotą skaičių galimų būsenų arba orientacijų gardelėje.
Realių molekulinių sluoksnių struktūroms modeliuoti dažnai prireikia sudėtingesnių fizikinių modelių. Susidarant tarpmolekuliniams vandeniliniams ryšiams, organinės trimezinės rūgšties (TMA) molekulės susitvarko į taisyklingą heksagoninę porėtą struktūrą, kuri primena medaus korį – jai būdingas vienodų šešiakampių ertmių („akučių“) masyvas. Šiuo atveju šešiakampių (skersmuo – apie 1 nm) mazguose yra po vieną molekulę, kuri dalyvauja porinėje sąveikoje su trimis kaimyninėmis molekulėmis. Tačiau, priklausomai nuo koncentracijos, tos pačios molekulės gali suformuoti ir žymiai įmantresnes geometrines struktūras, kurios buvo stebimos ir eksperimentuose. Puslaidininkių fizikos institute atlikti teoriniai tyrimai parodė, kad visas TMA struktūras įmanoma aprašyti vienu modeliu, keičiant tik sąveikos parametrų vertes arba molekulių koncentraciją. Modelis numato dviejų tipų sąveikas, kurios abi yra traukiančiosios: (1) porinė, kuri veikia tarp dviejų priešingai orientuotų molekulių; (2) trikampė, tarp trijų vienodai orientuotų molekulių. Manoma, jog būtent trikampė sąveika nulemia TMA molekulių gebėjimą suformuoti didelio tankio sudėtingas fazes – „gėlės“ ir „supergėlės“ struktūras. Heksagoninei fazei susidaryti užtenka vienos (porinės) sąveikos. Padėklo gardelė, ant kurios mazgų „prilimpa“ molekulės, modelyje parenkama plokščia, trikampė, kadangi ji geriausiai atitinka pačių TMA molekulių simetriją.
Naudojant šį modelį, tiriami molekulių ansamblyje vykstantys faziniai virsmai, šiuo atveju – savaiminis molekulių susitvarkymas. Iš gautų termodinaminių charakteristikų (šiluminės talpos ir kitų parmetrų priklausomybės nuo temperatūros) galima įvertinti fazinio virsmo tipą bei gauti kitos vertingos informacijos. Įdomu, kad modeliuojant kai kurias molekulines sistemas, mažinant temperatūrą galima stebėti keletą fazinių virsmų, pavyzdžiui, iš netvarkingos būsenos į tarpinę (iš dalies tvarkingą), o iš šios būsenos – į visiškai tvarkingą (kristalinę).
Kita organinė medžiaga, kurios molekulės taip pat suformuoja nestandartines tvarkingas strukūras, yra antrachinonas. Pailgos formos antrachinono molekulės ant metalo paviršiaus susijungia į šešiakampius. Tokią antrachinono sluoksnio struktūrą labai sunku paaiškinti, nes poros yra didžiulės (skersmuo apie 4 nm, tad į jų centrus galima įterpti fulereno (C60) ir kitokias funkcines molekules), o šešiakampių viršūnėse vandeniliniais ryšiais susijungia trys molekulės, susidaro taip vadinami „malūnėliai“. Apie dvimačius antrachinono molekulių ansamblius paskelbta įdomių tyrimų. Neseniai buvo bandoma šios unikalios periodinės struktūros atsiradimą paaiškinti kvantmechaniniais efektais, kai adsorbuotos antrachinono molekulės metalo paviršiuje sukuria elektronines būsenas, aliekančias kvantinių taškų vaidmenį. Vis dėlto toks sudėtingas paaiškinimas greičiausiai yra nebūtinas.
Antrachinono porėtos heksagoninės struktūros susidarymui ant kristalinio vario paviršiaus paaiškinti pasiūlytas statistinis fazinių virsmų modelis. Jis pagrįstas gardelės mastelio transformacija ir keturių molekulės būsenų įvedimu, kai molekulė naujos trikampės gardelės mazgais gali judėti besisukiodama 60 laipsniu kampu ir gali turėti vakansinę būseną. Gauti rezultatai rodo, kad šešiakampių ir „,malūnėlių“ struktūra susiformuoja esant tam tikram traukos ir stūmos jėgų balansui. Šiuo atveju traukos jėgos – tai dviejų tipų artiveikės kryptingos sąveikos – dimeriniai vandeniliniai ryšiai: dvigubas ir viengubas. Stūmos jėgos yra dipolinės toliveikės, jos laikomos izotropinėmis (nekryptingomis). Modelyje taip pat įvedama silpna toliveikė trauka, jos veikimo nuotolis lygus šešiakampio skersmeniui. Ši trauka yra itin reikšminga, kadangi būtent ji padeda susiformuoti tvarkingoms uždaroms heksagoninėms struktūroms. Keičiant šios traukos veikimo nuotolį teoriniame modelyje, susidaro skirtingo dydžio šešiakampiai, tai yra, šešiakampio sienelę sudaro mažesnis arba didesnis skaičius antrachinono molekulių. Taigi, šis modelis leidžia įdomų molekulių išsidėstymą paaiškinti traukos ir stūmos jėgų balansu, išvengiant kvantmechaninio traktavimo.
Kitos fenilo žiedą turinčios molekulės (benzoinė rūgštis, tereftalo rūgštis, izoftalo rūgštis) taip pat yra linkusios ant paviršiaus suformuoti tvarkingos struktūros sluoksnius. Kai kurios iš jų, kaip ir antrachinonas, suformuoja šešiakampę („medaus korio“) strukūrą. Taip pat labai įdomus yra Kagome struktūros gardelių susiformavimo tyrimas koloidinių sferų ansambliams.
Dalis šių teorinių tyrimų, atliekamų Puslaidininkių fizikos institute, yra finansuojami pagal Europos Sąjungos struktūrinių fondų įgyvendinamą projektą "Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje“. Andrius Ibenskas
Podoktorantūros stažuotojas Medžiagotyros ir elektros inžinerijos skyrius Puslaidininkių fizikos institutas, VMTI Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)