Компьютерное моделирование функциональных наносистем на основе блок-сополимеров

На правах рукописиПЕРЕЛЬШТЕЙН ОЛЕГ ЭЛКУНОВИЧКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХНАНОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ БЛОК-СОПОЛИМЕРОВСпециальность 02.00.06 - высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2010Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристалловфизического факультета Московского государственного университетаимени М. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:Игорь Иванович Потёмкин, докторфизико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Анатолий Анатольевич Даринский, докторфизико-математических наук, профессорЮрий Анатольевич Криксин,доктор физико-математических наукВедущая организация:Тверской Государственный УниверситетЗащита состоится «24» ноября 2010 г.

в 15:30 на заседании диссертационного советаД501.002.01 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносовапо адресу: 119991 Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ЮжнаяФизическая Аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «23» октября 2010 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д501.002.01кандидат физико-математических наук, доцентТатьяна Васильевна ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПоиск и исследование функциональных полимерных систем является одним из основных направлений современной науки о полимерах. Функциональные полимерныесистемы обладают специфическими механическими, оптическими или электрическими характеристиками, благодаря которым они могут быть использованы для решенияряда задач, таких, например, как направленная транспортировка веществ или стабилизация коллоидных частиц.

К преимуществам некоторых из таких полимерных систем можно также отнести простоту синтеза и их относительно невысокую стоимость.Отдельный интерес представляют собой биомиметические функциональные полимеры – системы, имитирующие поведение, которое можно наблюдать в живой природе. Значительные успехи в развитии микроскопии и других методах исследования объектов нанометровых размеров, сделанные за последние несколько десятилетий, даливозможность изучить механизмы работы многих встречающихся в природе функциональных наносистем.

Поскольку такие системы способны выполнять ряд практическиполезных функций, изучение принципов работы таких систем представляет интересне только для фундаментальной науки, но и для промышленности.Естественным шагом, последовавшим за исследованием встречающихся в природесистем, стала для ученых попытка создания систем со схожей функциональностью влабораторных условиях. Начавшись около десяти лет назад, значительный рост количества опубликованных по этой теме статей сохраняется до сих пор, но, несмотряна это, тема остается, в силу своей обширности, достаточно новой и весьма перспективной.Применение компьютерного моделирования к исследованию таких систем представляет собой быстрый и низкозатратный способ поиска и анализа поведения функциональных полимеров.

Результаты моделирования дают возможность более направленно подходить к синтезу функциональных систем, обладающих специфичнымисвойствами.3Цель диссертационной работыЦелями данной диссертационной работы являются:1. Исследование методами компьютерного моделирования динамических свойствмолекулярного мотора на основе диблок-сополимера вблизи структурированнойповерхности2.

Изучение с помощью компьютерного моделирования стабилизирующих качествконструированных блок-сополимеров в селективном растворителеНаучная новизна работыАвтором впервые получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:1. Предложена и реализована компьютерная модель синтетического молекулярного мотора на основе диблок-сополимера вблизи структурированной поверхности.Найдены ключевые зависимости характеристик движения от геометрических иэнергетических параметров системы. Показано, что простая система, состоящаяиз одиночной молекулы диблок-сополимера при определенном периодическомвнешнем воздействии может совершать направленное движение.2.

Предложена и теоретически исследована упрощенная модель молекулярного мотора, в рамках которой мотор описывается системой из двух звеньев, испытывающих переменное во времени анизотропное трение. На основании этой упрощенной модели подтверждено, что результаты, полученные в ходе компьютерногомоделирования динамики диблок-сополимера вблизи поверхности, не являются артефактами моделирования и могут быть описаны аналитически в рамкахпростой теоретической модели.3.

Предложено использование конструированных блок-сополимеров с простой последовательностью звеньев в качестве стабилизаторов для коллоидных частицв селективном растворителе. Проведено компьютерное моделирование, подтверждающее низкую агрегационную способность таких макромолекул между собой.4. Исследованы адсорбционные свойства конструированных макромолекул на поверхности. Показано, что такие молекулы имеют тенденцию к быстрой и эффективной адсорбции и образуют на поверхности протяженный слой типа планарной щетки, состоящий из растворимых участков цепей. При этом плотность4слоя достаточно высока, что ведет к стерической стабилизации частиц, то естьпрепятствует их агрегации друг с другом.Научная и практическая значимость работыВ краткосрочной перспективе результаты диссертационной работы, посвященные молекулярным моторам, носят фундаментальный характер и представляют интерес дляпонимания природы и развития физики полимеров.

В более далеком будущем системы, подобные рассмотренным, могут быть использованы для направленного транспорта лекарственных веществ.Результаты диссертационной работы, посвященные стабилизирующим агентам,подтверждают важность в настоящее время уже предпринимающихся работ по синтезу подобных макромолекул. Поскольку, по сравнению с диблок-сополимерами, требуемые количества таких полимеров существенно ниже, а цена выше незначительно,такие вещества смогут обеспечить существенное снижение издержек при производствелаков, красящих веществ, а также ряда пищевых продуктов.

Полученные в настоящей работе результаты могут оказаться полезными при синтезе таких веществ, даваявозможность предсказывать их стабилизирующие качества в зависимости от ряда параметров рассматриваемых систем.Апробация работыСодержание различных разделов диссертации докладывалось на российских и международных конференциях: Четвертой Всероссийской Каргинской Конференции "Наука о полимерах 21-му веку"(Москва, 2007), "Тренды в нанонауке 2007"(Ирзее, Германия, 2007), "Европейский полимерный конгресс 2009"(Грац, Австрия, 2009), "6-аямеждународная конференция по наноструктурированным полимерам и нанокомпозитам"(Мадрид, Испания, 2010), "Международная рабочая группа: “Теория и компьютерное моделирование полимеров”"(Москва, 2010), "43-й международный полимерный конгресс IUPAC"(Глазго, Великобритания, 2010), "Немецко-российская рабочаягруппа “Самоорганизованные структуры амфифильных макромолекул”"(Турнау, Германия, 2010)5ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 9 работах.

Список приведен в конце автореферата.Структура работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 94 страницы текста, включая 40 рисунков. В диссертации использовано 90 литературных источников.6СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели исследования и описывается структура диссертации.Первая глава посвящена обзору литературы по теоретическим и экспериментальным подходам к исследованию двух видов наноразмерных функциональных систем,основанных на блок-сополимерах: молекулярным моторам и стабилизаторам коллоидных частиц.В первой части главы, посвященной молекулярным моторам, рассматриваютсяпримеры молекулярных моторов, встречающихся в природе, описаны экспериментальные подходы к изучению таких объектов, обсуждаются результаты попыток созданиясинтетических молекулярных моторов.

Здесь же рассматриваются возможные методики рассмотрения молекулярных моторов с помощью компьютерного моделирования.Во второй части речь идет о стабилизаторах коллоидных частиц. Показана практическая необходимость использования стабилизаторов, рассмотрены различные подходы к практическому решению задачи стабилизации, применяемые в промышленностина сегодняшний день, описаны проблемы, препятствующие эффективной стабилизации.

Далее в этой части рассматриваются способы синтеза сополимеров с требуемойпервичной структурой и некоторые эффекты, характерные для конструированныхполимеров разных типов.Во второй главе представлено исследование синтетических молекулярных моторов на основе диблок-сополимеров вблизи структурированной поверхности с помощьюкомпьютерного моделирования.Рассмотренный в настоящей работе молекулярный мотор представляет собой отдельную молекулу диблок-сополимера, адсорбированную на поверхности с выделенной полосой притяжения (рис.

1). Диблок-сополимер состоит из двух последовательносоединенных блоков различных типов, один из которых (назовем его A) является чувствительным к внешнему воздействию (в реальности оно может иметь химическую,электрохимическую или фотохимическую природу) и способен под этим воздействиемпретерпевать изменения конформации (коллапс ⇀↽ адсорбция).Молекула диблок-сополимера моделируется системой “бусинок на пружинках”.

Химическая связь характеризуется потенциалом FENE, мономер-мономерное взаимодействие описывается потенциалом Морзе () = (2 ( −) − 2 ( −) ),7(1)Рис. 1: Начальная конформация диблок-сополимера на структурированной поверхностигде = 24, а задается соотношением = ∗ (2.0 ∗ log(2.0)/ + 1.0).Каждое мономерное звено имеет единичный диаметр и массу. Обрезка потенциаламономер-мономерного взаимодействия производится на расстоянии = 2.5.