SAMOORGANIZACJA MATERII

Antoni Adamczyk, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

W sensie ogólnym, pod pojęciem samoorganizacji w układzie rozumiemy spontaniczne (tzn. bez udziału czynników spoza tego układu) powstawanie w nim form zorganizowanych. Oznacza to, że pomiędzy zmiennymi (parametrami stanu) opisującymi układ pojawiają się samorzutnie korelacje czasowe i przestrzenne o różnym zasięgu. W języku teorii chaosu, pojawienie się samoorganizacji oznacza zdążanie układu w kierunku atraktora.

Istotą samoorganizacji jest pojawienie się organizacji globalnej w wyniku działania czynników lokalnych, bez udziału centralnego dyrygenta.

Trywializując, można powiedzieć, że samoorganizacja jest rezultatem "dbania o własne interesy" każdego elementu układu w warunkach działania konkurencji ze strony innych elementów tegoż układu. W przyrodzie "dbanie o własne interesy" jest zazwyczaj dążeniem każdego atomu lub molekuły do obniżenia swej energii swobodnej (redukcji wszelkiego rodzaju gradientów w swoim otoczeniu) tak bardzo, jak to możliwe.

Najważniejszą i najciekawszą własnością układu zorganizowanego jest pojawienie się w nim własności i zjawisk emergentnych, czyli takich, których nie wykazuje żaden element układu wzięty oddzielnie (kółeczka zegara nie będą odmierzały czasu leżąc każde z osobna w pudełkach u zegarmistrza).

W przyrodzie najwyżej zorganizowaną materią - jaką znamy - jest mózg, który przecież jako całość nie jest strukturą uporządkowaną (w sensie symetrii kryształu). Mózg nie mógł się jednak uformować w oderwaniu od reszty ciała zwierzęcia. Jego istnienie stanowi zatem znakomity przykład niejednorodności, jakie się pojawiają w układzie samoorganizującym się.

Przykładem samoorganizacji w społeczeństwie jest mechanizm działania dużych, nowoczesnych społeczności, np. Manhattanu. Tam nie ma centralnego planisty; każdy z członków społeczności - działając w sprzężeniu ze swoim bliskim otoczeniem - dba o własne interesy lokalne, nie zaś o miasto, a całość funkcjonuje znakomicie.

W wykładach zostaną omówione główne cechy układów podlegających samoorganizacji: współzawodnictwo oddziaływań bez centralnego nadzoru, ewolucja pod działaniem tylko czynników wewnętrznych, fluktuacje jako mechanizm poszukiwania optymalnego położenia, łamanie symetrii czyli ograniczenie swobody, niestabilności będące wynikiem samowzmacniających się wyborów rodzaju ruchu, możliwość występowania więcej niż jednego atraktora w basenie przyciągania (wielokrotne punkty równowagi) i zamrażanie przypadków, występowanie zjawisk krytycznych, powstawanie porządku globalnego będącego wynikiem oddziaływań lokalnych, zapotrzebowania energetyczne i dyssypacja energii, redundacja jako odporność na uszkodzenia, zdolność naprawy i/lub wymiany elementów układu, złożoność (wielość parametrów), hierarchia poziomów samoorganizacji.

Omówione zostaną także zasadnicze rodzaje oddziaływań (składowych energii swobodnej) będących źródłem samoorganizacji materii: energia oddziaływań międzymolekularnych, energia oddziaływań wenątrzmolekularnych, oddziaływania hydrofilowo/hydrofobowe z wodą (solute-solvent), energia makroskopowych deformacji sprężystych, energia związana z defektami struktury typu dysklinacji i dyslokacji, energia napięć powierzchniowych (w tym anizotropowych), energia elektryczna na granicach faz i towarzyszące jej zjawiska kapilarne (elektryczna warstwa podwójna, elektrokapilarność, zjawiska elektrokinetyczne), energia deformacji powierzchni (powierzchnie zakrzywione, "energia krzywiznowa"), energia wytworzenia nowych faz w cienkich warstwach na powierzchniach rozdziału (np. kondensacja kapilarna i przemiany polimorficzne), energia związana z separacją faz i "siłami gradientowymi" w obszarach międzyfazowych oraz energia swobodna ciał anizotropowych w polach zewnętrznych (elektrycznych, magnetycznych, termicznych ...).

Na koniec przedstawimy najbardziej spektakularne przykłady form będących wynikiem samoorganizacji, np. kształtów kapsyd wirusów czy warstw ciekłokrystalicznych, oraz zjawisk emergentnych w przyrodzie.