А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Что же извесгно непосредственно о!-'.„:!"" физике самоорганизации? Поскольку самоорганизация наблюдается как ренату- " '. рация, т. е. процесс, обратный денатурации, то много ';., ", усилий было на«ранено на а»учение денатурацин, Было-~) >4з показано, что денатурацню можно вызвать нагреванием н она сопровождается поглощением тепла — примерно »аким гке, как плавление кристаллика того же размера; можпо ее вызвать добавлением в воду какого-нибудь из веществ, уменьшающих гидрофобный эффект (см, выше разделы 3.1 н 3.7); наконец, к денатурации ведет добавление в году щелочи или кислоты, потому что некоторые из аминокислот заряжаются положительно в кислой среде, другие отрицательно в щелочной, и в обоих случаях глобула неустойчива из-за отталкивания одноименных зарядов.
Правда, многие биологи придерживались мнения, что исследование денатурации — это «понски под фонарем»: изучается не то, что интересно (функцнонпрование), а то, чго легко. Но физики, прежде всего И. М. Лифшиц и О Б. Птицын, с этим мнением не соглашались и утверие дали, что любой происходящий в системе копформациопный переход чрезвычайно важен для общего понимания спектра ее возможных состояний. Кроме того, биолог В. Я. Александров обнарунгил связь температуры денатурации белка с температурой жизни той «твари», у которой этот белок взят: у бактерий — жительниц ледников белки почему-то лишены той теплостойкосгн, которая ничем не мешает жителям горячей воды гейзеров. И вот в 1982 г.
усилия физиков, изучавших децатурацию, увенчались серьезным успехом: О. Ь. Птицын н его сотрудники показали, что денатурацня имеет во многих случаях характер не перехода глобула — клубок, т. е. не разворачивания глобулы, а перехода нативная глобула — расплавленная глобула, При этом переходе блоки вторичной сгруктуры, оставаясь жесткими, чуть-чуть раздвигаются, так что боковые амипокислотные группы приобретают известную свобюду колебаний и вращений, но глобула остается стабильной„потому что появившиеся Пели все-таки недосгагочны для проникновения молекул воды и гндрофобный эффект сохраняется (рис. 7.13), Открытие состоянии расплавленной глобулы отчасти пролило новый свет н на имеющиеся экспериментальные данные о динамике процесса самоорганизации.
Э»от процесс включает две стадии. Первая из них относительно быстрая, идет примерно так, как показано на рис. 7.7, иллюстрирующем динамику коллапса обычной полимерной цепи; есть веские эксперимептальныс основания считать, что эта стадия завершается состоянием расплавленной глобулы с «правильно» органнзованпымп грубыми »49 чер тамп третичнОй структуры )расположение блОков атсн ричной структуры н т. И.). Вторая стадня процесса более,:::,",~ длнтельная и сгодится к «правильному» установленп)О!, всех структурных тонкостей (расположение отдельных,.',.5", атомных групп н т.
п.). р! все-же главный Вопрос — почему все эти процессы',; всегда ведут к «правильной» структуре — пока без ответа,-', С ЗТИЬ! ВОГ)РОСОМ СВЯЗВН Д))УГОЙ! Межам ЛИ МЫ, Зяан ПЕР":,::;.г! ви шую структуру белка, предсказать, какая получптсн " Рнс. У.!3. Цхемнтннесное язобрангенпе перехода ннтннння глобула'-'::". Рй — расплавленная глобула гб) у него трегичначу Роследннй Вопрос, кстати, сугубо пракгяческий — положительный ответ па него очень нужен,'-,, бслкОВОй инжю)е)зин и, кроме ТОГО, позволпл бы Отказатьсн- !'.
от сложного и дорогостоящего рентгеиосгруктурного апас:.ф лиза белков. А ответ, увы, пока отрицательный; егце вго-".:.;~,:;;-: рнчную структуру, т. е. расположение а- и )з-уг)астков, !' можно предсказать с хорощей точностью, третичную же к сожалению, ис получается. В)О последования плут гллвд е И Випян.Э!ух полез из норм .. Спустя некоторое время нз ноле он«велся его нос... потом уыи...
потом передние лепи .. погон плени... я потом... и. А. Милн «Винни-Пух и все-все-все« 8.1. Вязкость В этой главе мы будем называть полимерными жидкостямп системы сильно перепутанных полимерных эзепей, находящихся в вязкотекучем состоянии, т. е. полимерные расплавы, а также концентрированные и полу- разбавленные полимерные растворы. Представление о свойствах полимерных жидкостей можно получить, если путем повышения температуры расплавить обычные пластмассы— термопласты, т. е.
перевести их в вязкотекучее состояние. 11сследовапие таких жядкостей ~юказывает, что онп обладают Р целым рядом необычных свойств, г— г отличающих их от неполимерных жидкостей (типа воды), с г — ' которыми мы имеем дело наиболее часто л Прежде всеэ.о бросается в Рис. е.э. слой жидкости глаза то, что полимерные жпд- между двуми плистпикими. кости обычно очень вязкие; их ВейтиЯи плнстипкв дви- жется со скоростью о, что вязкость, как правило, сущест вызывает простое сдвиговое вен но выше вязкости воды.
тепепив жидкости Физическая причина вязкости жидкостп — силэи внутреннего трения, действующие между прилегающими слоями текущей жидкости. Следовательно, можно сказсль, что силы внутреннего трения более выражены в полимерных жпдкосгях, чем в воде. Как можно охарактеризовать вязкость жидкости количественно? Для этого рассмотрим следующую простейшую экспериментальную ситуацию (рис. 8.1). Пусть слой жидкости толщины 6 находится между двумя плоскими пластинками, причем нижняя пластинка неподвижна, а верхняя движется с некоторой постояннок скоростью о, В этом случае за счет снл внутреннего т(тенин скорость крайнего в~жного слоя жидкости равна нулэо, а скорость 15« крайнего верхнего слоя есть и (этп слои как бы прилипают,." к неподвижной и движущейся пластинкам соответствеиио) Распределение скоростей в других слоях жидкости поп+'::."'-« зано па рис. 8.1; такое течение жидкости называется прс~;.':;,'," стым сдвиговым.
Спрашивается, какую силу г надо при- . ложить к верхней пластиике, чтобы обеспечить ее движе-',,( ние с постояппой скоростью в? Этот вопрос подроГ>по ио''::? следовался еще Ньютоном и затем Стоксом, которые ус-:-' таповили следующий простой закон: 1=8 Ап?й, (8.1'~':! где А — площадь пластин, а коэффициент пропорциональ';~я " ности «1 называется коэффициентом внутреннего трения,'~::::;:: ~ коэффициентом вязкости или просто вязкостью жидкости,';!,::,~,:,' Имепио этот коэффициент и задает количественно степень:::,:!!„~; вязкости.
Лля воды при нормальных условиях «)ж! Пз;:;~~~.: тогда как для полимерных жидкосгей (в зависимости от:,:ф средней длины цепей и от наличия растворителя) «1 10«=."ф~ —:10«Пз, т. е., как правило, на несколько порядков Гюльше. ';:!ф!,' 8.2. Свойство вязкоупругости Аномально большая вязкость является важ- .",".":Ф;::; иой, по далеко не едииствеипой отличительной чертой::"-;К;-" полимерных жидкостей. Пожалуй, более существенно то,':"',.~':-' что такие жидкости обладают так называемым свойством:,':,,',,~ вязкоупругости: в зависимости от частоты внешнего воз:.;!~";; действпя они ведут себя то как обычные низкомолекулярпые жидкости, то как упругие твердые тела.
Свойство вязкоупругости может быть эффектно ироде.::::*,.1",::; мопс«рироваио на примере нремиийоргапического полимера силикона, который также называют «прыгающей ':,'-:,',;~!1 замазкойь. С одной стороны, этот полимер при комнаткой температуре находится в вязкотекучем состоянии; если,,';!';,; например, наклонить сосуд, в котором находится силикон,:!;=;";,:- то полимер будет вытекать . — правда, медленно, так как::;.:."'.«,:.."« вязкость очень велика (рис.
8.2а). С другой стороны, если приготовить силиконовый шарик, то пря ударе о твердую поверхность (например, о пол) ои будет вести себя как каучукоподобиое твердое тело (рис. 8.2б; вспомните также ипдейские мячи пз певулканпзпрованпого каучука — глава 5). Как могут быть пояснены результаты опыта, показанного па рис. 8.2? При длительном воздействии силы тяжести (рис. 8.2а) полям< р ведет себя как вязкая жпд- "«1 <ость, а при кратковременном воздейстгии (ударе о гвердую поверхность — рис. 8.2б) — как упругое твердое тело.
Это и есть вязкоупругость. Обобщая результаты описанного опыта, можно сказать, что вязкоупругие гела па медленно изменяющиеся в едействия дают преимущественно вязкий отклик, реакция же па быстропеременные воздействия похожа на таковую для упругих высокоэластических твердых тел. Еще одна физическая демонстрация, показывающая, что полимерные жидкости обладают не только вязкотекучими, но и упругими свойствами, может быть реализо. Рис. 8.2.
Силикон вытекает иа сосуда (а), с другой стороиь1 — сн лнконовый ынкик обладает прыгукестью (б) вана следующим образом. Если поместить в цилиндрический сосуд с концентрированным полимерным раствором илн расплавом внутренний цилиндр, который может вращаться вокруг своей оси, совпадающей с осью сосуда (рнс. 8.3), привести цилиндр во вращение с постоянной скоростью со и затем внезапно отсоединить его от вращающего устройства, то вы увидите, что внутренний цилиндр прежде, чем окончательно остановиться, начнет вращаться в противоположном направлении, причем угол поворота ск в возвратном направлении может достигать нескольких градусов.
Этот эффект ясно указывает на наличие упругого отклика у полимерных жидкостей, Наконец, интересный опыт может быгь осуществлен с концентрированным водным раствором полиоксиэтиле1щ, а также с некоторыми другими полимерными жидкостяпи (рис. 8Л). Если начать переливать раствор из сосуда Л в сосуд Б, который расположен несколько пнже, после чего нрн сохранении непрерывности струи привести дно сосуда Л в горизонтальное положение, то раствор будет перетекать нз сосуда Л в сосуд Б до тех пор, пока сосуд Л не останется практически пустым Другнмн сповамн, Л и Б будут не- 153 сти себя как сообщающиеся сосуды, связь между каторымд!.
осуществляется не спецпалыюй трубкой, а самой струеф:,:,:,~' вытекаюп4ей жндкости. Ясно, что это явление говорит,ув'". наличии выра кс1шой упругости у полимерной !кидкостц"':, для обычпои зкиткости типа вод'1 с преимущественно вяз':,':- котекучим поведением такой эффект был бы певозмзжей.„:!! Вязкоупруго:гью обладают все полимерные жндкосг14';р поэтому ясно, что это свойство пе связано с дегадяМць' /7елкггде г!з го Рис. 8.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
