Wenn Moleküle sich selbst organisieren und geordnete Strukturen schaffen
Von Selbstorganisation spricht man, wenn einzelne Atome und Moleküle sich selbständig zu geordneten Strukturen anordnen. Selbstorganisation lässt sich auch als spontane Entstehung von Ordnung definieren. In der Natur gibt es sonderbar symmetrische Muster in Form von Linien, Kreisen und Polygonen. So findet man in Polargebieten und in hochalpinen Regionen am Erdboden beispielsweise häufig geordnete Steinmuster. Einige Musterbildungsprozesse lassen sich mit zyklischen Frier- und Schmelzvorgängen sowie Sortierungseffekten erklären.
Ein einfaches Sortier-Experiment: Schüttelt man ein Glas, welches mit feinkörnigem Sand und größeren Steinen/Muscheln gefüllt ist, so rutschen die feinen Sandkörner nach unten und die schwereren und größeren Steine und Muscheln wandern nach oben. Man erhält somit eine Schichtung entsprechend der Korngrößen.
Entropie – Maß der Unordnung
Viele der in der Natur zu beobachtenden Muster lassen sich auch mit thermodynamischen Gesetzen erklären. So besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Entropie – ein Maß für die Unordnung – in geschlossenen Systemen zunimmt. Die Nichtgleichgewichts-Thermodynamik hingegen bezieht sich auf offene Systeme, also Systeme, die von Materie oder Energie durchflossen werden. Dies gilt für die meisten natürlichen Prozesse. Hiernach ist es durchaus möglich, dass in belebten und unbelebten Systemen Ordnung spontan auftritt. Ein Beispiel hierfür sind die Musterbildungen in warmen Flüssigkeiten, die Konvektionsbewegungen. Jedoch nicht alle Phänomene lassen sich eindeutig mit wissenschaftlichen Theorien erklären.
Selbstorganisation in der belebten Natur – biologische Oberflächen
Grundlage für den Prozess der Selbstorganisation in der belebten Natur sind physikalische und chemische Gesetzmäßigkeiten wie zum Beispiel die eher schwachen zwischenmolekularen Kräfte. So sorgen unter anderem die Van-der-Waals-Kräfte für die richtige Ausrichtung der elektrisch geladenen Atome und Moleküle.
Die Natur nutzt das Prinzip der Selbstorganisation seit Anbeginn der Zeit, um zum Beispiel Eiweiße oder Zellmembranen aufzubauen. Biologische Oberflächen sind selten glatt. Sie sind meist hochkomplex dreidimensional strukturiert. Die Bandbreite der Strukturen reicht von makroskopisch sichtbaren Gefügen wie Haaren, über Mikrostrukturen bis in den Nanometerbereich. So besitzen zahlreiche Pflanzen strukturierte Blatt- oder Blütenoberflächen, die in bestimmter Weise optimiert sind. Sie sind entweder so beschaffen, dass Insekten sich besonders gut oder möglichst schlecht auf ihnen fortbewegen können. Letzteres findet sich zum Beispiel bei den fleischfressenden Pflanzen, die über äußerst glatte Oberflächen verfügen, über die die Insekten abrutschen und damit in der Falle sitzen.
Selbstorganisierte Oberflächen in der Technik
Auch Wissenschaftler nutzen das Prinzip der Selbstorganisation um definierte Strukturen zu konstruieren. Hier geht es darum, wie Oberflächen beschaffen sein müssen, damit sich Moleküle auf diesen Oberflächen in einem bestimmten Muster anlagern können. Die Beschaffenheit von Oberflächen ist wichtig für die jeweiligen Materialeigenschaften des Stoffes. Zu den Eigenschaften zählen beispielsweise wasser- oder schmutzabweisende Materialoberflächen. Bei der Herstellung von funktionalen Oberflächenstrukturen werden die molekularen Komponenten auf ein Trägermaterial, das Substrat, aufgebracht und finden dann selbst ihren Platz im molekularen Netzwerk. Je nach Anwendung zeigen die Bausteine spezifische elektronische, katalytische, sensorische oder photovoltaische Eigenschaften.