Kálmán Erika

A delhi vasoszloptól a molekuláris építészetig - a kémia új perspektívája

III. A molekuláris önszerveződés jelensége

Mit is értünk önszerveződésen? Az önszerveződés olyan folyamat, amelyben valamely rendszer - általában a környezetével kapcsolatban álló nyílt rendszer - alkotórészei közötti kapcsolatok külső okok nélkül megerősödnek, és az anyag rendezettsége növekszik.

Bár maga a fogalom molekuláris jelenségekre alapozva jött létre, az önszerveződés jelensége nem korlátozódik a molekulahalmazokra. Bármilyen méretű anyagi komponensek, a molekuláktól a galaxisokig, képesek önszerveződésre, ha bizonyos feltételek teljesülnek. Az önszerveződésen alapul az oszcilláló kémia reakció és az autokatalízis jelensége is. Spontán önszerveződő folyamat a biológiában a membránok, a sejtek és a különböző szervek kialakulása, de maga az élet folyamata, a növekedés és a fejlődés is. Ezen túlmenően az önszerveződés jelensége ismert a szociológiában és a közgazdaságtudományban is.

A molekuláris önszerveződés jelenségével mint szintézisstratégiával a kémia foglalkozik. A kémia kapcsolatainak bővülése a biológia és az anyagtudományok felé ma már kiszélesítette az önszerveződés jelensége alapján előállítható molekulahalmazok dimenzióit centiméteres nagyságrendre. Az önszerveződés törvényszerűségei a különböző méretskálákon hasonlóak, de természetesen nem teljesen azonosak.

15. ábra

Az önszerveződéssel kialakult molekuláris halmazok egyensúlyi vagy metastabilis állapotban vannak, még akkor is, ha maga a folyamat általában távol van az egyensúlytól. A molekuláris önszerveződés jól ismert volt a kémiában, az anyagtudományokban és a biológiában még jóval az előtt, hogy az önszerveződés jelenségének kutatása önálló tudományterületté, a kémiai szintézis stratégiájává vált volna. Molekuláris kristályok képződése, kolloidok és lipidmembránok, fázis-szeparált polimerek vagy önszerveződött molekuláris monorétegek létezése ugyanolyan jól ismert, mint a polipetid-láncok csavarodása a proteinekben. A ligandumok receptorokkal történő asszociációja is önszerveződéssel jön létre. Keskeny a határ az önszerveződött molekulahalmazok, a molekuláris felismerés és a komplexképződés jelensége és minden olyan folyamat között, amely során kevésbé rendezett halmazokból rendezettebbek jönnek létre.

A molekuláris rendszerek önszerveződésének sikeressége több feltételtől függ. Az önszerveződéshez valamilyen hajtóerő, tehát kölcsönhatás és a komponensek közelsége, egyensúlyi szeparációja szükséges. Az egyensúlyi szeparációt a vonzó- és taszítóerők egyensúlya hozza létre. Specifikus, általában irányított kölcsönhatás szükséges molekulák között a kötés létrehozásához. Az önszerveződéssel generált szerkezetek reverzibilisek vagy flexibilisek, a folyamat során kijavíthatják hibáikat. A komponensek közötti kötések erősségének összemérhetőnek kell lennie a szerkezetet romboló erőkkel, amelyeket a hőmozgás okoz. Az önszerveződés általában folyadékban vagy határfelületen történő mozgás hatására jön létre. A komponensek kölcsönhatása a közeg molekuláival is hatással van az önszerveződés folyamatára. Az önszerveződés létrejöttéhez szükséges a molekulák mobilitása, az oldatokban ezt a hőmozgás biztosítja.