Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем

Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем

Теория самоорганизации  имеет дело с открытыми нелинейными  диссипативными (диссипативность – особое динамическое состояние системы, которое можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне) системами, далекими от состояния равновесия.

В термодинамике существует понятие закрытой системы, т.е. системы, которая не обменивается со средой веществом и энергией. В соответствии с первым началом термодинамики в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. Для закрытых систем сформулировано второе начало термодинамики, следствием которого является неизбежность перехода любой более организованной и упорядоченной структуры в менее организованную и упорядоченную.

То, что в этом мире не бывает чудес (кстати, это одна из самых  коротких формулировок второго закона термодинамики) – следствие второго  закона термодинамики, согласно которому беспорядок в изолированной системы  стремится увеличиться. Иначе говоря, согласно этому закону, игрушки просто мечтают самопроизвольно оказаться под шкафом, под кроватью и в других непредназначенных для них местах. Они разложатся по коробкам в том случае, если система игрушек перестанет быть изолированной, и в нее начнется приток энергии извне в виде вашей кропотливой работы по уборке комнаты.

Так, например, согласно второму  началу термодинамики, запас энергии  во Вселенной иссякает, а вся Вселенная  неизбежно приближается к «тепловой  смерти». Со временем способность Вселенной  поддерживать организованные структуры  ослабевает, и такие структуры  распадаются на менее организованные. Это значит, что Вселенную ждет все более «однородное» будущее.

Примеры эволюции в живой  природе показывают нам развитие от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с введением понятия открытых систем и их изучением появилась такая возможность.

Открытые системы – это системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества или энергии. Постоянный приток вещества или энергии является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам.

Живые организмы существуют за счет преобразования внешней энергии  в упорядоченную структуру. Рассмотренные  выше ячейки Бенара – упорядоченная структура, которая поддерживается за счет притока энергии извне. Ячейки Бенара исчезнут, как только мы перестанем подогревать слой жидкости снизу.

При самоорганизации важным является такое свойство, как нелинейность систем. Дать определение этому термину достаточно сложно. Между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи. Система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые, в свою очередь, обусловливают изменения в самой этой системе. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде.

Благодаря неравновесному протеканию множества микропроцессов система  приобретает на макроуровне некоторую  интегративную результирующую способность, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности, в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

8.4. Основные свойства самоорганизующихся  систем

Открытые системы

Основным понятием термодинамики  является понятие энтропии как меры способности теплоты к превращению. Энтропия характеризует меру внутренней неупорядоченности системы. Она  свойственна изолированным, то есть закрытым системам, находящимся в  тепловом равновесии с окружающей средой. По отношению к закрытым системам были сформулированы и два закона (начала) термодинамики.

Качественное отличие  закрытой (замкнутой) системы от открытой в том, что в первой тоже может  сохраняться неравновесная ситуация, однако до тех пор, покуда система  за счет своих внутренних процессов  не достигнет равновесия, при котором  энтропия будет максимальной. Иное дело в открытых системах, которые обмениваются энергией с окружающей средой. Здесь за счет прихода энергии извне могут возникать диссипативные структуры с гораздо меньшей энтропией. Иначе говоря, система, самоорганизуясь в новом стационарном состоянии, уменьшает свою энтропию, она как бы «сбрасывает» ее избыток, возрастающий за счет внутренних процессов, в окружающую среду. В живых организмах это происходит за счет дыхания, экскреции. Открытая система как бы «питается» отрицательной энтропией (негэнтропией), выбрасывая наружу положительную. При этом возникают новые устойчивые неравновесные, но близкие к равновесию состояния. При таком неравновесии рассеивание энергии минимально и интенсивность роста энтропии оказывается меньше, чем в других близких состояниях. Здесь имеет место принцип производства минимума энтропии. Открытые системы – это необратимые системы. Для них весьма важен фактор времени.

Принцип производства минимума энтропии

В энергетических процессах  открытых систем имеет место принцип  Пригожина—Гленсдорфа – принцип производства минимума энтропии. Здесь под производством энтропии понимают отношение изменения энтропии dS к единице объема системы. Производством энтропии по этому принципу можно определить степень упорядоченности. Как известно, изменение энтропии выражается уравнением

dS = dSi + dSe,

где dS – полное изменение энтропии в системе; dSi – изменение энтропии, связанное с происходящими внутренними необратимыми процессами в системе; dSe – энтропия, перенесенная из внешней среды через границы системы.

Из уравнения следует, что в изолированной системе  энтропия dSe равна нулю, а внутренняя энтропия dSi > 0, так как dSe может компенсировать dSi, произведенную внутри системы, или быть больше ее. Из этого следует, что dSe < 0. Таким образом, энтропия в систему не поступает, а только может из нее выводиться. Условие dS =0 означает стационарное состояние, а dS < 0 – усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению dSe < dSi. Соотношение показывает, что энтропия, обусловливаемая необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду.

Свой принцип И. Пригожин и П. Гленсдорф выразили следующим образом: при неравновесных фазовых переходах, что соответствует точкам бифуркации, через которые проходит процесс самоорганизации, система движется по пути, соответствующему меньшему значению производства энтропии. Значит, чем меньше производство энтропии, тем более организованна система. В этом главный смысл процесса самоорганизации, то есть в создании определенных структур из хаоса неупорядоченного состояния. Открытые системы будто бы структурируют энергию окружающей их среды, причем упорядоченная часть энергии остается внутри системы, а неупорядоченная энергия сбрасывается системой обратно в окружающую среду.

Таким образом, неравновесный  термодинамический процесс создает  условия для состояния, когда  приток энергии извне не только компенсирует (гасит) рост энтропии, но и снижает  ее количество.

Нелинейные системы (нелинейность)

Открытый характер большинства  природных систем указывает на то, что в мире должны доминировать не равновесие и стабильность, а неустойчивость и неравновесность. Сама неравновесность  порождает избирательность системы, ее специфические реакции на воздействия  внешней среды. Тесная связь со средой отражается на функционировании систем; они как бы приспосабливаются  к внешним условиям. Например, слабые воздействия среды могут оказывать  большее влияние на эволюцию системы, чем более сильные, но не гармонирующие  с тенденцией развития системы. Отсюда следует, что на нелинейные системы  не распространяется принцип суперпозиции, то есть когда действие двух факторов на ситуацию вызывает эффект, который  не имеет ничего общего с результатами отдельного действия каждого фактора. В нелинейных системах развитие идет по нелинейным законам, приводящим к  многовариантности путей выбора и альтернатив выхода из состояния неустойчивости.

В нелинейных системах процессы могут носить резко пороговый  характер, когда при постепенном  изменении внешних условий наблюдается  скачкообразный их переход в другое качество. При этом старые структуры  разрушаются, переходя к качественно  новым структурам.

Неравновесные, открытые нелинейные системы постоянно создают и  поддерживают неоднородность в среде. Здесь между средой и системой могут создаваться отношения  положительной обратной связи, которые  еще более усиливают отклонения системы от равновесия. В результате такого взаимодействия открытой системы со средой могут наблюдаться самые неожиданные последствия.

Неравновесная термодинамика

Классическая термодинамика (закрытые системы) утверждает, что  рост энтропии означает необратимость  термодинамического процесса. Поэтому, если считать Вселенную закрытой системой, то с точки зрения второго  закона термодинамики в ней постепенно произойдет выравнивание температур и  установится полное равновесие, что  соответствует «тепловой смерти»  Вселенной. Энтропия будет расти  и вместе с ней станет возрастать степень хаоса.

Эти утверждения не согласуются  с гипотезой возникновения Вселенной  и со всем дальнейшим ходом глобального  эволюционного процесса. Вывод о  росте беспорядка в мире противоречит как химическому, так и биологическому развитию систем, да и всему процессу самоорганизации систем во Вселенной. Однако рост энтропии, согласно второму  закону термодинамики, выделяет направление  термодинамических процессов, что  означает одномерность времени, или  так называемую «стрелу времени».

Неклассическая термодинамика  изучает реальный мир открытых систем, проявляющийся в неживой и  живой природе, с позиций синергетики. Это потребовало новых идей, понятий  образов, а также пересмотра старых. В большей степени это относится  к представлениям о порядке и  хаосе. В синергетике хаос – это  то, что отличается от порядка некоей структуры. Это не полное отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного  типа (как бы нарушенная структура). Подструктурой понимается совокупность устойчивых связей объекта (с другими  объектами), обеспечивающая его целостность. Иначе говоря, структура – это  взаиморасположение и связь составных  частей чего-либо, то есть определенная организация объекта. Она характеризуется  устойчивостью, четкостью внутренних связей, способностью к сопротивлению  внешним факторам и изменениям. Структура  – ключевое понятие в синергетике (самоорганизации). Открытые системы, как  уже указывалось, постоянно обмениваются со средой энергией и веществом, находясь в относительно стабильном термодинамическом  неравновесии. Биологической системе (живому организму) для устойчивого  динамического состояния характерно минимальное производство энтропии, а для неустойчивого стационарного  – максимальное неживое состояние. Вероятнее всего, что развитие живого осуществляется через неустойчивости, хотя в целом оно стремится  к устойчивому состоянию на микроскопическом уровне за счет запасенной свободной  энергии. При стремлении к устойчивому  состоянию организм «сбрасывает» в  окружающую среду ненужный избыток  энтропии, тем самым постоянно  поддерживая неравновесное термодинамическое  состояние.

Диссипативные структуры

Диссипативная структура  – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в  целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько  упорядоченной, организованной. Такие  системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат. dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Это свидетельствует о сохранении в целом ее хаотичности. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло. Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов (от лат. fractus – дробный, изрезанный). Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись (если они оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы), либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого (например, древние обычаи народов, древние слова и т. д.). В точке бифуркации (точке ветвления) идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.

При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в  новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в  новое качественное состояние. В  этом новом состоянии система  продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.

В целом диссипация как  процесс рассеивания энергии, затухания  движения и информации играет весьма конструктивную роль в образовании  новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные  реальные условия ее состояния.

Теория бифуркаций

Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается  и движется к относительно устойчивым структурам. Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом  с окружающей средой.

Аномальные изменения  в среде могут вывести систему  из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в  систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более  расшатывается, изменяются свойства системы.