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) opisujšcymi układ pojawiajš się samorzutnie korelacje czasowe i przestrzenne o różnym zasięgu. W języku teorii chaosu, pojawienie się samoorganizacji oznacza zdšżanie układu w kierunku atraktora.

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

Trywializujšc, 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 dšżeniem każdego atomu lub molekuły do obniżenia swej energii swobodnej (redukcji wszelkiego rodzaju gradientów w swoim otoczeniu) tak bardzo, jak to możliwe.

Najważniejszš i najciekawszš własnoœciš układu zorganizowanego jest pojawienie się w nim własnoœci i zjawisk emergentnych, czyli takich, których nie wykazuje żaden element układu wzięty oddzielnie (kółeczka zegara nie będš odmierzały czasu leżšc każde z osobna w pudełkach u zegarmistrza).

W przyrodzie najwyżej zorganizowanš materiš - jakš znamy - jest mózg, który przecież jako całoœć nie jest strukturš uporzšdkowanš (w sensie symetrii kryształu). Mózg nie mógł się jednak uformować w oderwaniu od reszty ciała zwierzęcia. Jego istnienie stanowi zatem znakomity przykład niejednorodnoœci, jakie się pojawiajš w układzie samoorganizujšcym się.

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

W wykładach zostanš omówione główne cechy układów podlegajšcych samoorganizacji: współzawodnictwo oddziaływań bez centralnego nadzoru, ewolucja pod działaniem tylko czynników wewnętrznych, fluktuacje jako mechanizm poszukiwania optymalnego położenia, łamanie symetrii czyli ograniczenie swobody, niestabilnoœci będšce wynikiem samowzmacniajšcych się wyborów rodzaju ruchu, możliwoœć występowania więcej niż jednego atraktora w basenie przycišgania (wielokrotne punkty równowagi) i zamrażanie przypadków, występowanie zjawisk krytycznych, powstawanie porzšdku globalnego będšcego wynikiem oddziaływań lokalnych, zapotrzebowania energetyczne i dyssypacja energii, redundacja jako odpornoœć na uszkodzenia, zdolnoœć naprawy i/lub wymiany elementów układu, złożonoœć (wieloœć parametrów), hierarchia poziomów samoorganizacji.

Omówione zostanš także zasadnicze rodzaje oddziaływań (składowych energii swobodnej) będšcych Ÿródłem samoorganizacji materii: energia oddziaływań międzymolekularnych, energia oddziaływań wenštrzmolekularnych, oddziaływania hydrofilowo/hydrofobowe z wodš (solute-solvent), energia makroskopowych deformacji sprężystych, energia zwišzana z defektami struktury typu dysklinacji i dyslokacji, energia napięć powierzchniowych (w tym anizotropowych), energia elektryczna na granicach faz i towarzyszšce jej zjawiska kapilarne (elektryczna warstwa podwójna, elektrokapilarnoœć, 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 zwišzana z separacjš 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 będšcych wynikiem samoorganizacji, np. kształtów kapsyd wirusów czy warstw ciekłokrystalicznych, oraz zjawisk emergentnych w przyrodzie.