náhled|upright=1.35|Snímek z elektronového mikroskopu nanokrychlí oxidu železa. Pravidelně rozmístěné body, ohraničené přerušovanou linií jsou atomy železa. Levý horní snímek ukazuje elektronový difrakční vzorec. Škála je: 10 nm.Wetterskog, Erik; Agthe, Michael; Mayence, Arnaud; Grins, Jekabs; Wang, Dong; Rana, Subhasis; Ahniyaz, Anwar; Salazar-Alvarez, German; Bergström, Lennart (2014). "Precise control over shape and size of iron oxide nanocrystals suitable for assembly into ordered particle arrays". Science and Technology of Advanced Materials. 15 (5): 055010. Bibcode:2014STAdM..15e5010W. doi:10.1088/1468-6996/15/5/055010. open access publication - free to read
Self-assembly (samouspořádávání) je proces, při němž neuspořádaný systém již existujících složek vytváří organizovanou strukturu v důsledku specifických, lokálních interakcí mezi jednotlivými komponentami, bez externího vlivu. V případě, že výstavbovými prvky jsou molekuly, je proces označován jako molekulární samouspořádávání. náhled|upright=1.35|Nanočástice oxidů železa mohou být rozdispergovány v organickém rozpouštědle (toluen). Po jeho odpaření, se mohou samouspořádat (levý a pravý panel) v mikro mesokrystaly (uprostřed) nebo do vícevrstev (vpravo). Každá tečka v levém obrázku je běžný „atomový“ krystal. Škála je: 100 nm (vlevo), 25 μm (uprostřed), 50 nm (vpravo).
Samouspořádávání může být rozděleno na statické a dynamické. Při statickém samouspořádávání se uspořádané formy dosahuje tak, že systém přechází do rovnovážného stavu, takže dochází k redukci jeho volné energie. Nicméně, při dynamické samouspořádávání se struktura již existujících složek organizuje na základě specifických lokálních interakcí, tohle nicméně nebývá nazýváno jako „samouspořádávání“, ale jako „samoorganizace“ (self-organized). náhled|upright=1.35|DNA zobrazená vlevo (schematické zobrazení) se samouspořádává do struktury zobrazené pomocí mikroskopie atomárních sil vpravo. Strong, M. (2004). "Protein Nanomachines". PLoS Biol. 2 (3): e73–e74. doi:10.1371/journal.pbio.0020073. PMC 368168free to read.
Samouspořádávání v chemii a materiálových vědách Samouspořádávání (SA) v klasickém smyslu je definováno jako spontánní a reverzibilní organizace molekulárních jednotek do uspořádané struktury pomocí nekovalentních interakcí. První vlastností samouspořádaného systému, kterou tato definice navrhuje je spontaneita procesu samouspořádávání: interakce zodpovědné za formaci samouspořádaného systému působí pouze na lokální úrovni – jinými slovy, nanostruktura vyváří sama sebe.
Typické znaky Na tomhle místě, by někdo mohl argumentovat, že jakákoliv chemická reakce je řízena atomy a molekulami, které se uspořádávají do větších struktur, například jako jsou sraženiny, a tím pádem mohou spadat do kategorie SA. Nicméně, tu jsou přinejmenším tři typické znaky, které dělají SA samostatným celkem.
Uspořádanost Za prvé, samouspořádané struktury musí vytvářet vyšší uspořádané celky oproti jednotlivým složkám, ať už tvarem nebo zvláštní úlohou, kterou samouspořádaná struktura může vykonávat. Tohle všeobecně nemusí být pravda v chemických reakcích, kde může nějaký uspořádaný stav směřovat ke stavu neuspořádanému a to v závislosti na termodynamických podmínkách.
Interakce Druhým důležitým prvkem SA je výsadní role slabé vazebné interakce (např. van der Waalsovi, kapilarita, π − π, vodíková vazba) oproti více „tradiční“ kovalentní, iontové nebo kovové vazby. Ačkoliv jejich energie je typicky až o 10 řádu menší, tyto slabé interakce hrají důležitou roli v materiálové syntéze. Je namístě zmínit, že slabé interakce zastávají prominentní úlohu v materiálech, zvláště v biologických systémech, navzdory tomu, že jsou považovány za okrajové v porovnání se „silnými“ (tj. kovalentními, atd.) interakcemi. Například, určují fyzikální vlastnosti kapalin, rozpustnost pevných látek a organizaci molekul v biologických membránách.
Výstavbové bloky Třetím typickým znakem SA jsou výstavbové bloky, kterými nemusí být nutně jen atomy a molekuly, ale i široké spektrum nano- a mesostruktur s rozdílným chemickým složením, tvarem a využitím.Damasceno, Pablo F.; Engel, Michael; Glotzer, Sharon C. (2012). "Structural Diversity and the Role of Particle Shape and Dense Fluid Behavior in Assemblies of Hard Polyhedra". arXiv:1202.2177free to read [cond-mat.soft]. Archived from the original|archive-url= requires |url= (help) on 2012-02-10. Pro výzkum možných samouspořádaných tří-dimenzionálních útvarů mikritu se zkouší platónská tělesa (pravidelný mnohostěn). Termín „mikrit“ byl vytvořen DARPA, přičemž odkazuje na sub-milimetrové mikroroboty, jejichž schopnost samoorganizace může být srovnatelná s tou u hlenek.Solem, J. C. (2002). "Self-assembling micrites based on the Platonic solids". Robotics and Autonomous Systems. 38 (2): 69–92. doi:10.1016/s0921-8890(01)00167-1. Trewhella, J.; Solem, J. C. (1998). "Future Research Directions for Los Alamos: A Perspective from the Los Alamos Fellows" (PDF). Los Alamos National Laboratory Report LA-UR-02-7722: 9. Nedávné příklady nových výstavbových bloků zahrnují mnohostěn a záplatované částice (patchy particle). Tyto výstavbové bloky o nano-rozměrech (NBBs) mohou být naopak syntetizovány skrze konvenční chemické cesty nebo jiným SA přístupem jako jsou přímé entropické síly (directional entropic forces).
Příklady Důležitým příkladem SA v materiálové vědě je formování molekulových krystalů, koloidů, lipidových dvouvrstev, fázově-separovaných polymerů a samouspořádaných monovrstev.Whitesides, G.M.; Boncheva, M. (2002). "Beyond molecules: Self-assembly of mesoscopic and macroscopic components". PNAS. 99 (8): 4769–74. Bibcode:2002PNAS...99.4769W. doi:10.1073/pnas.082065899. PMC 122665free to read. . Whitesides, George M.; Kriebel, Jennah K.; Love, J. Christopher (2005). "Molecular engineering of surfaces using self-assembled monolayers". Science Progress. 88 (Pt 1): 17–48. doi:10.3184/003685005783238462. . Seskládaní polypeptidového řetězce v proteinu a seskupení nukleových kyselin do jejich funkční podoby jsou příklady samouspořádávání biologických struktur. Nedávno byly pomocí samouspořádávání připravené tří-dimenzionální makroporézní struktury za chlazení derivátu difenylalaninu, získaný materiál by mohl najít svoje využití v regenerační medicíně nebo v cíleném transportu léčiv.Berillo, Dmitriy; Mattiasson, Bo; Galaev, Igor Yu.; Kirsebom, Harald (2012). "Formation of macroporous self-assembled hydrogels through cryogelation of Fmoc–Phe–Phe". Journal of Colloid and Interface Science. 368 (1): 226–230. doi:10.1016/j.jcis.2011.11.006. . P. Chen et al. ukázali mikro-metodu samouspořádávání, kdy vytvořili templát na rozhraní kapalina–vzduch pomocí Faradayovy vlny. Tato metoda samouspořádávání by se dala využít pro vytvoření rozmanitého souboru symetrických a periodických struktur z mikro-rozměrných materiálů jako jsou hydrogely, buňky a buněčné sféroidy.Chen, Pu; Luo, Zhengyuan; Güven, Sinan; Tasoglu, Savas; Ganesan, Adarsh Venkataraman; Weng, Andrew; Demirci, Utkan (2014). "Microscale Assembly Directed by Liquid-Based Template". Advanced Materials. 26 (34): 5936–5941. doi:10.1002/adma.201402079. .
Vlastnosti SA rozšiřuje rámec chemie, snažící se vytvořit produkty, které jsou uspořádané a mají využitelné vlastnosti, zahrnutím slabé vazebné interakce a samouspořádaní NBBs na všechny délkové rozměry.Ozin, Geoffrey A.; Arsenault, André C. (2005). Nanochemistry: a chemical approach to nanomaterials. Cambridge: Royal Society of Chemistry. . V kovalentní syntéze a polymerizaci, spojují vědci atomy dohromady do nějakého požadovaného uspořádání, které nemusí nutně být energeticky nejvíc výhodné; naproti tomu, samouspořádané molekuly si osvojují strukturu v termodynamickém minimu, tím pádem nacházejí tu nejlepší kombinaci interakcí mezi podjednotkami, ale bez vytvoření kovalentních vazeb mezi nimi. U samouspořádaných struktur vědci musí předpovídat toto minimum, ne jenom dotlačit atomy do požadovaného umístění.
Jinou společnou charakteristikou vlastní všem samouspořádaným systémům je, že jsou termodynamicky stabilní. SA se uskutečňuje bez zásahu vnějších sil, tudíž proces musí vést ke snížení Gibbsovy volné energie, takže samouspořádané struktury jsou termodynamicky více stabilní, než osamocená, neuspořádaná složka. Přímým důsledkem je všeobecná tendence samouspořádaných struktur existovat prakticky bez defektů. Příkladem může být vytvoření dvoudmenzionálních super-mřížek (superlattices), které jsou složeny z uspořádaně mikrometrových polymetylmetaklátových (PMMA) koulí, které lze získat z roztoku obsahující mikrosféry polymeru, z něhož necháme pomalu za vhodných podmínek odpařit veškeré rozpouštědlo. Hnací silou v tomto případě jsou kapilární síly, které pramení z deformace povrchu kapaliny, zapříčiněné plováním nebo částečným ponořením částic. Denkov, N.; Velev, O.; Kralchevski, P.; Ivanov, I.; Yoshimura, H.; Nagayama, K. (1992). "Mechanism of formation of two-dimensional crystals from latex particles on substrates". Langmuir. 8 (12): 3183–3190. doi:10.1021/la00048a054.
Tyto dvě vlastnosti – slabé interakce a termodynamickou stabilitu – si musíme připomenout, abychom odůvodnili jinou vlastnost, s kterou se často setkáváme u samouspořádaných systému: citlivost k poruchám vlivem vnějších podmínek. Tyto drobné fluktuace, mohou ovlivnit termodynamické proměnné, vést k viditelné změně ve struktuře a dokonce k jejímu poškození, a to během nebo i po SA. Slabá povaha interakcí je zodpovědná za flexibilitu architektury a dovoluje přeuspořádání struktury, způsobem určovaným termodynamikou. V případě, že fluktuace přesunou termodynamické proměnné zpět do počáteční polohy, struktura se pravděpodobně vrátí do své výchozí konfigurace. To nás přivádí k jedné další vlastnosti SA, která není vždy pozorována u materiálů připravovaných jinými technikami: reverzibilita.
SA je proces, který je jednoduše ovlivnitelný externími parametry: syntéza je poměrně problematická v důsledku velkého počtu neurčených parametrů, které je potřeba kontrolovat, na druhé straně tu jsou vzrušující výhody z velkého množství tvarů a vlastností na mnoha délkových rozměrech, které můžeme získat.Lehn, Jm (Mar 2002). "Toward self-organization and complex matter". Science. 295 (5564): 2400–3. Bibcode:2002Sci...295.2400L. doi:10.1126/science.1071063. .
Všeobecně, základní podmínkou potřebnou pro to, aby se NBBs samouspořádaly do uspořádané struktury je současné působení repulzních sil krátkého dosahu a přitažlivých sil dlouhého dosahu. Forster, Paul M.; Cheetham, Anthony K. (2002). "Open-Framework Nickel Succinate, [Ni7(C4H4O4)6(OH)2(H2O)2]⋅2H2O: A New Hybrid Material with Three-Dimensional Ni−O−Ni Connectivity". Angewandte Chemie International Edition. 41 (3): 457–459. doi:10.1002/1521-3773(20020201)41:3<457::AID-ANIE457>3.0.CO;2-W.
Vybráním prekurzoru s vhodnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi, je možné dosáhnout požadované kontroly během procesu formace, který produkuje komplexní struktury. Zcela zjevně, nejdůležitějším nástrojem při návrhu způsobu syntézy materiálů je znalost chemie stavebních bloků. Na příklad, bylo dokázáno, že je možné využít dvoublokový kopolymer s rozdílnou reaktivitou jednotlivých bloků k vložení maghemitových nanočástic a vytvoření periodického materiálů s různým potenciálem jako u vlnovodů.Gazit, Oz; Khalfin, Rafail; Cohen, Yachin; Tannenbaum, Rina (2009). "Self-Assembled Diblock Copolymer "Nanoreactors" as "Catalysts" for Metal Nanoparticle Synthesis". The Journal of Physical Chemistry C. 113 (2): 576–583. doi:10.1021/jp807668h.