|
[[קובץ:Selfassembly Organic Semiconductor Trixler LMU.jpg|שמאל|ממוזער|250px|תמונת [[מיקרוסקופ מינהור סורק|ממ"ס]] של שרשראות [[כימיה סופרא מולקולרית|סופרא מולקולריות]] של ה[[מוליך למחצה]] האורגני קווינקרידון (Quinacridone) על [[גרפיט]]]]
{{עריכה}}
'''הרכבה עצמית''' היא תהליך הפיך בושבו אוסף בלתי מסודר של חומרי גלם או רכיבים הופך למבנה או דפוס מסודר באופן ספונטני כתוצאה מהאינטראקציות בין חומרי הגלם וללא הכוונה חיצונית. תהליך זה מתרחש כיווןמאחר באופןשבאופן כללי מערכות בטבע שואפות להיות ב[[נקודת קיצון|מינימום מקומי]] של [[אנרגיה]]. למשל,לדוגמה: [[מים]], כעקרון יזרמוזורמים במורד, אבלאולם לא כל המים זורמים ל[[ים המלח]], המקום הנמוך בעולם. אם, תחת תנאים מסויימיםמסוימים, מינימום מקומי של [[אנרגיה]] של מערכת יהיה כאשר הרכיבים מסתדרים במבנה או דפוס מסודר, הם יעשו זאת באופן ספונטני ללא השקעת [[אנרגיה]] חיצונית וללא הכוונה של הרכיביםהכוונתם למקומם על ידי התערבות חיצונית.
כדי להגדיר טוב יותר את המושג נתעכב על שלושת המאפיינים המרכזיים של תהליך ההרכבה העצמית הם:
#'''סדר''' סדר.– המבנה הנוצר בסוף תהליך של הרכבה עצמית חייב להיות מסודר יוריותר מאשר רכיביו, בין אם במבנהו, צורתובצורתו או התאמתובהתאמתו למשימה זו או אחרת. (מאפיין זה לרוב אינו נכון לתגובותעבור תגובות כימיות, שםשבהן מצב מסודר ינטה לעבור למצב פחות מסודר, כתלות בפרמטרים ה[[תרמודינמיקה|תרמודינמיים]].)
# '''האינטראקציות בין הרכיבים.''' בתהליך– בנייהמאחר עצמית,שעל כיווןתהליך שהואההרכבה צריךהעצמית להיות תהליך הפיך, לרובעל פי רוב תהיה האינטראקציה בין הרכיבים תהיה חלשה (קשרי [[ואן דר ואלס]], [[קשרי מימן]] וכ"ווכו'). אינטראקציות אלו, אל אף שהםשבאופן אופייניתאופייני הן חלשות פי עשרעשרה מאינראקציות כגון [[קשר קוולנטי|קשרים קוולנטים]] או [[קשר יוני|קשרים יוניים]], הינםהן בעלי תפקיד חשוב בהתרכבות של חומרים, ויותר מכךובפרט בעולם החי. למשל, אופי הקשרים החלשים יותר במקרים רבים קובע את התכונות הפיזיקאליותהפיזיקליות של נוזלים, את מידת המוצקות של מוצקים ואת המבנה של [[ממברנה ביולוגית|ממברנות ביולוגיות]] ואת חדירותן.
# '''חומרי הגלם או הרכיבים.''' – הרכיבים המשתתפיםהעשויים להשתתף בתהליך שכזההרכבה עצמית הינם מגוון של חומרים, גם גדולים ומורכבים יותר מאטומים או מולקולות. בעולם החי בדרך כלל יהיו רכיבים אלו מבנים [[ננו|ננומטריםננומטריים]], אך בדוגמאות במעבדה יכולים אלו להיות אךגם מבנים מקרוסקופים.; הכלהכול בתלות במבנה הרצוי ובתנאים תחתםשתחתם אמורה המערכת אמורה להרכיב את עצמה. כמובןמובן שהכי ה[[כוח (פיזיקה)|כוחות]] המניעים של התהליכים השונים משתנים כלותכתלות באופי אבניין הבניין.
== בנייההרכבה עצמית בטבע ==
כל ה[[גביש|גבישים]]ים אשר גדליםהגדלים באופן טבעי הינםהם דוגמאדוגמה של הרכבהלהרכבה עצמית. (גם אם כי דוגמא לא כלמעניינת כך מעניינתבמיוחד, כיוון שגביש מעצם הגדרתו הינו מערכת שחוזרת על עצמה). דוגמאדוגמה מעניינת הרבה יותר מספק לנו עולם החי והצומח.: תחת תנאים מסויימיםמסוימים (ומורכבים לאןלאין שיעור) נוצרות באופן טבעי בטבע מערכות מורכבות להפליא. בניגוד לגבישים, אשר ההרכבהשהרכבתם העצמית שלהם הינההיא סטטית, (כלומר: המערכת מגיע למינימום מקומי של אנרגיה ונשארת שם), במערכות החי והצומח ההרכבה העצמית היא דינמית. ה[[תא]] כולו אינו נמצא בשיווי משקל (במינימום מקומי של אנרגיה) אך ה[[חלבון|חלבונים]] וה[[אנזים|אנזימים]] וכ"ו מתרכבים עצמית – כל אחד למינימום מקומי של אנרגיה תחת התנאים הרגעיים בסביבתו המקומית כדי לבצע את תפקידו בתא).
*בני האדם רתמו מספר מקרים כאלה לעזרתם; למשל: [[DNA]] ,. המולקולה הנושאת את החומר התורשתי מורכבת משני גדילים , אשר כל אחד מהם הינו רצף של ארבע אבני בניין . A(G, {{כ}} T, {{כ}} GA ו-C ). מבחינה אנרגטית (– כדי להגיע למינימום מקומי של אנרגיה , תחת תנאים פיזיולוגיים ) – עדיף כי זוגשזוג גדילים יקשרו זה לזה או גדיל יחיד יתקפל ויקשר לעצמו כך ש-A נקשר ל-T ו-C נקשר ל-G. בעזרת מערכת פשוטה זו ותכנון ובנייה של גדילים ספציפיים הצליחו מדענים ליצור בעזרת DNA צורות גיאומטריות שונות דו או תלת מימדיות , וכמו כןוכן הצליחו ליצור [[מכונת מצבים]] פשוטה אשר , לדוגמא,עשויה יכולהלמשל להיות מתוכננת לבצע חישובלחשב כמה פעמים מופיע האות A ברצף מסויים של DNA. ▼בני האדם רתמו כמה דוגמאות שכאלו לעזרתם.
== הרכבה עצמית בידי האדם == ▼▲* [[DNA]], המולקולה הנושאת את החומר התורשתי מורכבת משני גדילים אשר כל אחד מהם הינו רצף של ארבע אבני בניין. A, T, G ו-C. מבחינה אנרגטית (כדי להגיע למינימום מקומי של אנרגיה, תחת תנאים פיזיולוגיים) עדיף כי זוג גדילים יקשרו זה לזה או גדיל יחיד יתקפל ויקשר לעצמו כך ש-A נקשר ל-T ו-C נקשר ל-G. בעזרת מערכת פשוטה זו ותכנון ובנייה של גדילים ספציפיים הצליחו מדענים ליצור בעזרת DNA צורות גיאומטריות שונות דו או תלת מימדיות וכמו כן הצליחו ליצור [[מכונת מצבים]] פשוטה אשר, לדוגמא, יכולה להיות מתוכננת לבצע חישוב כמה פעמים מופיע האות A ברצף מסויים של DNA.
באופן כללי , אפשרניתן להגדיר שתי גישות שונות לבנייהלבנייתהּ של מערכת מורכבת .: גישת ה-Top Down אשר מדברת על– היכולת לעשות מניפולציה לאבני הבניין הקטנות בעזרת כלים שונים ולבנות אותם בסדר רצוי ., וגישת ה-Bottom Up אשר מדברת על– הרכבה עצמית. ▼
לכאורה, קל יותר באופן כללי לעשות דברים בגישה שלבגישת ה-Top Down ,; מהרגעמרגע שקיימים הכלים לעשותלתפעל מניפולציהאת לאבניאבני הבניין , הקטנות תוכלניתן לבנות אתמהן שרצונךכל בושרוצים. ולראייהולראיה, זוהי הגישה השלטת היום בתכנון מערכות מיקרואלקטרוניקה. אך למעשה, ובמיוחדברם אם יורדים למערכותלרמה מערכות ננו-מטריות, עליהמתגלה כי אליה וקוץ בה . :▼# '''דיוק''' מבחינת דיוק.– גם הכלים הטובים ביותר שברשתנוהמצויים הינםברשותנו (לפחות עדיין)כיום גסים מדי, מה שיגרוםשגורם לפגמים בחומר וישפיעומשפיע במידה רבה על התכונות המקרוסקופיות שלו. ▼# '''זמן''' מבחינת זמן,– גם לו יכולנו לכדרר במדויק למקום ספציפי אטום יחיד (למשל בעזרת [[מיקרוסקופ מינהור סורק|STM ]]) באופן מדוייק, לכתוב נאמר,הרי אתשכתיבת המידע שעל גבי דיסק קשיח אופייני יקחלמשל ייקח כ- 30003,000 שניםשנה. ▼# '''אנרגיה''' מבחינת אנרגיה,– הפעלת הכליםכלים שכאלו דורשת בדרך כלל דורשת הרבה אנרגיה. ▼
גישת ההרכבה העצמית באה לפתור בעיות אלו ולהציג דרכי בנייה זולות ויעילות. ▼# '''דיוק''' מבחינת דיוק,– כיווןהיות שכעת חומרי הגלם זזים לבדם למקום הנכון על פי העקרון של מינימום אנרגיה, הם יסתדרו במבנים צפופים ומדוייקיםומדויקים יותר , וכך יצרוייצרו חומרים ללא פגמים. ▼# '''זמן''' מבחינת זמן,– כיוון שחומרי הגלם מסתדרים מעצמם , אפשרניתן בו זמנית לייצר רכיבים רבים .▼# '''אנרגיה''' מבחינת אנרגיה,– כל שצריך לעשות הוא להחזיק את התנאים הנכונים , והמערכת עושה זאת באופן ספונטני בלי השקעת עבודה חיצונית. ▼
אךאולם, גם בגישה זו יש חסרונות. תחילהראשית, בדובר בגישההיא קשה מאוד לתכנון. במידה רבה, האחריות כאן עוברת מהבונה למתכנן. קבוצות מחקר רבות בעולם עובדות על ייצור מתקנים ויישומים שונים בשיטה זו, בין השאר בעזרת רתימת רכבים ביולוגים, אורגנים או ייצור רכיבים סינטטיםסינתטיים. אםעם זאת , יש עודלפנינו דרך ארוכה ללכת עד שתהיהלמציאת שיטה מסחרית. אחרת הבעיות בה נתקלים המתכננים היא בעיית תיקון השגיאות. מעצם הגדרת התהליך ברור כי לפעמים קורות שגיאות . ורבים(למשל: רבים המקרים בהם שכפול של DNA , למשל, אינו מושלם ). עבור מקרים כאלו דאגה האבולוציה למנגנוני תיקון שגיאות , מה(ומה גם שכל עוד זה קורה אחרי שפרט מסוייםמסוים התרבה , אין זהלשגיאה משנהחשיבות מבחינה אבולוציונית ). בתעשייההתעשייה, לעומת זאת, איןאינה סובלנותסובלת כה רבה לשגיאות. אם, נאמר, חצי מהמחשבים יפסיקו לתפקד ברמה זו או אחרת אחרי, נאמר, שהם ייצרו כך וכך מסמכי וורד, החברה המייצרת אותם תפשוט את הרגלשגיאות. ▼▲== הרכבה עצמית בידי האדם ==
▲באופן כללי אפשר להגדיר שתי גישות שונות לבנייה של מערכת מורכבת. גישת ה-Top Down אשר מדברת על היכולת לעשות מניפולציה לאבני הבניין הקטנות בעזרת כלים שונים ולבנות אותם בסדר רצוי. וגישת ה-Bottom Up אשר מדברת על הרכבה עצמית.
▲לכאורה, קל יותר באופן כללי לעשות דברים בגישה של Top Down, מהרגע שקיימים הכלים לעשות מניפולציה לאבני הבניין הקטנות תוכל לבנות את שרצונך בו. ולראייה זוהי הגישה השלטת היום בתכנון מערכות מיקרואלקטרוניקה. אך למעשה, ובמיוחד אם יורדים למערכות ננו-מטריות, עליה וקוץ בה.
▲# מבחינת דיוק. גם הכלים הטובים ביותר שברשתנו הינם (לפחות עדיין) גסים מה שיגרום לפגמים בחומר וישפיע במידה רבה על התכונות המקרוסקופיות שלו.
▲# מבחינת זמן, גם לו יכולנו לכדרר למקום ספציפי אטום יחיד (למשל בעזרת STM) באופן מדוייק, לכתוב נאמר, את המידע שעל גבי דיסק קשיח אופייני יקח כ-3000 שנים.
▲# מבחינת אנרגיה, הפעלת הכלים שכאלו בדרך כלל דורשת הרבה אנרגיה.
▲גישת ההרכבה העצמית באה לפתור בעיות אלו ולהציג דרכי בנייה זולות ויעילות.
▲# מבחינת דיוק, כיוון שכעת חומרי הגלם זזים לבדם למקום הנכון על פי העקרון של מינימום אנרגיה, הם יסתדרו במבנים צפופים ומדוייקים יותר וכך יצרו חומרים ללא פגמים.
▲# מבחינת זמן, כיוון שחומרי הגלם מסתדרים מעצמם אפשר בו זמנית לייצר רכיבים רבים
▲# מבחינת אנרגיה, כל שצריך לעשות הוא להחזיק את התנאים הנכונים והמערכת עושה זאת באופן ספונטני בלי השקעת עבודה חיצונית.
[[קטגוריה:ננוטכנולוגיה]]
▲אך גם בגישה זו יש חסרונות. תחילה, בדובר בגישה קשה מאוד לתכנון. במידה רבה, האחריות כאן עוברת מהבונה למתכנן. קבוצות מחקר רבות בעולם עובדות על ייצור מתקנים ויישומים שונים בשיטה זו, בין השאר בעזרת רתימת רכבים ביולוגים, אורגנים או ייצור רכיבים סינטטים. אם זאת יש עוד דרך ארוכה ללכת עד שתהיה שיטה מסחרית. אחרת הבעיות בה נתקלים המתכננים היא בעיית תיקון השגיאות. מעצם הגדרת התהליך ברור כי לפעמים קורות שגיאות. ורבים המקרים בהם שכפול של DNA, למשל, אינו מושלם. עבור מקרים כאלו דאגה האבולוציה למנגנוני תיקון שגיאות, מה גם שכל עוד זה קורה אחרי שפרט מסויים התרבה אין זה משנה מבחינה אבולוציונית. בתעשייה לעומת זאת, אין סובלנות כה רבה לשגיאות. אם, נאמר, חצי מהמחשבים יפסיקו לתפקד ברמה זו או אחרת אחרי, נאמר, שהם ייצרו כך וכך מסמכי וורד, החברה המייצרת אותם תפשוט את הרגל.
[[קטגוריה:תא]]
[[en:Self-assembly]]
|
