Non-equilibrium self-assemblyformation and function of meso-structures with applications in biology and material science

Resumen

Un conjunto de bloques fundamentales desordenados que interactúan puede formar estructuras ordenadas mediante el autoensamblaje. Una intervención externa en el sistema mediante la adición de especies químicas o la aplicación de fuerzas da lugar a diferentes escenarios de autoensamblaje con la aparición de nuevas estructuras. Por ejemplo, la formación de microtúbulos, geles, cápsides de virus, células y seres vivos, entre otros, tiene lugar por autoensamblaje en condiciones de no equilibrio. Actualmente se carece de un criterio general de evolución capaz de determinar el tipo de estructuras que se forman en un proceso de autoensamblaje fuera del equilibrio. En condiciones de equilibrio sabemos que las estructuras surgen con valores mínimos de energía libre. Sin embargo, los experimentos han demostrado que cuando el autoensamblaje tiene lugar fuera del equilibrio, las estructuras no aparecen en los mínimos de energía libre, sino en los valores óptimos de algunos parámetros estructurales. En la presente tesis mostramos cómo la arquitectura de las estructuras autoensambladas puede determinarse a partir del conocimiento de la disipación de energía y materia inherente a su formación. Cuando la cantidad de disipación, cuantificada por la entropía total producida en el proceso, se representa en términos de parámetros que caracterizan la forma de las estructuras ensambladas, sus máximos y mínimos corresponden a estructuras encontradas en situaciones experimentales como en la gelificación y la formación de anillos de Liesegang. A partir de la conexión entre la entropía producida y el tipo de estructuras formadas, formulamos un criterio de selección que muestra por qué un conjunto de unidades desordenadas puede dar lugar a una determinada estructura autoensamblada. El criterio establece que los mínimos de una energía libre de no-equilibrio que depende de los parámetros estructurales y de la entropía producida. El criterio es capaz de predecir la formación y configuración de estructuras como los anillos de Liesegang y los patrones en coloides magnéticos y podría constituir una poderosa herramienta para entender la síntesis de materiales avanzados, enantiómeros y nanopartículas. A partir del conocimiento de los mecanismos íntimos que conducen a la formación de estructuras y de los criterios termodinámicos para la aparición de estructuras autoensambladas, podríamos hacer posible la implementación de materiales reconfigurables y bioinspirados, así como dar una perspectiva más directa a la comprensión de la aparición de la vida.