Systémy tvořící struktury nás obklopují všude. Mohou to být molekuly složené z atomů nebo bílkoviny skládající se z aminokyselin. Struktury tvoří také nanočástice, které mají různé vlastnosti v rámci svého povrchu. Třeba takové, že půlka částice je nabitá a druhá není. Tyto částice se samovolně shlukují a tvoří struktury, třeba micely nebo polymery. My ale nedokázali předpovídat jak.
Nejprve si popišme, jak takový systém částic v přírodě vypadá. Pro ilustraci si můžeme představit mince. Každá mince leží buď rubem nebo lícem vzhůru. Aby to nebylo jednoduché, předpokládejme, že mince jsou magnetické. Libovolné dvě mince se potom mohou spojit a vytvořit tak nový stav, ale spojovat se může libovolný počet mincí. Nyní chceme předpovídat, jak se budou mince chovat. Uděláme experiment a pozorujeme, jestli mince ukazují rub nebo líc, anebo jsou spolu spojené. Nakonec zjistíme, že stavy, kdy jsou mince spojené do větších struktur, jsou daleko častější než stavy, kdy jsou mince volné. To se pak odrazí i ve fyzikálních vlastnostech systémů. A právě proto je klíčové předvídat, za jakých podmínek a do jakých systémů se budou částice shlukovat.
A teď zpět ke strukturám v přírodě. Tady lze systémy popsat pomocí termodynamických vztahů např. entropie. Musíme ale zavést korekci. Ta bere v potaz existenci těchto struktur a definuje, jak moc je systém uspořádaný. V případě struktur lze tedy pozorovat nižší entropii než v případě sytému bez struktur. Uspořádanost systému má vliv na přechod od volných částic po samovolnou tvorbu makroskopických struktur jako micely nebo polymery. Tomuto jevu říkáme samouspořádání a je typické pro mnoho fyzikálních i biochemických procesů, třeba při formování krystalů, koloidů nebo při transportu lipidů v těle. S entropií popíšeme přesněji při jakých teplotách dochází k uspořádání do struktur nebo kolik energie je potřeba dodat, abychom uspořádání nastartovali.
Jan Korbel (Medical University of Vienna)
Korbel J. et al.: Nature Communications, 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-21272-7