Самоорганизация в полимерных системах

      Комментарии к записи Самоорганизация в полимерных системах отключены

Самоорганизация в полимерных системах

Физик Алексей Хохлов о физике мягкой материи, способах скейлинга и компьютерном моделировании полимерных материалов

Как связаны энтропия и самоорганизация в полимерных совокупностях? Чем свойство полимеров к самоорганизации ответственна для создания живых совокупностей? Как способы компьютерного моделирования смогут оказать помощь в изучении ДНК?

На эти и другие вопросы отвечает врач физико-математических наук Алексей Хохлов.

В первую очередь напомню, что такое полимеры. Полимеры — это долгие молекулярные цепочки, другими словами ядерные группы, соединенные в цепочку ковалентными химическими связями, это полимерные молекулы. И в принципе, говоря о самоорганизации, давайте сперва отыщем в памяти, как организуются простые низкомолекулярные совокупности, каковые грубо возможно представить в виде шариков либо мелких молекулярных групп.

Еще из курса школы мы знаем, что все фазовые состояния вещества — это газы, жидкости и жёсткие тела, причем жёсткие тела понимаются как кристаллические жёсткие тела. Давайте с данной точки зрения разглядим полимерные совокупности. Они какие конкретно: жидкие, газообразные либо жёсткие?

Полимеры — это долгие молекулы, весьма тяжело совершить их возгонку и перевести в газообразное состояние. Полимерных газов фактически не существует.

Что касается полимерных кристаллов, монокристаллов, то их также фактически нереально взять. Из-за чего? По причине того, что, в то время, когда вы, скажем, понижаете температуру и в полимерной совокупности идет кристаллизация, она идет в один момент в различных частях данной совокупности. И кристаллы, образуясь, блокируют вероятные перемещения этих долгих полимерных цепочек. Они выясняются как бы встроены в пара кристаллитов.

И весьма не так долго осталось ждать все замораживается, идеальный монокристалл не образуется, а образуется смесь кристаллических областей, аморфных прослоек и без того потом. Так что полимерных кристаллов также нет.

И что, назвать все полимерные совокупности жидкостями? В принципе это верно. В полимерах нет дальнего порядка, с позиций строгой физики это жидкость. Но в действительности не считая полимеров таких совокупностей довольно много, к примеру стекла, неполимерные стекла либо какие-то сложные частично аморфные, частично кристаллические материалы. В действительности бо?льшая часть материалов, каковые нас окружают, — это как раз такие материалы.

Идеальных монокристаллов в окружающем нас мире мало. Исходя из этого фактически любой жёсткий материал владеет такими чертями.

Для описания для того чтобы класса материалов в конце XX — начале XXI века появился термин soft matter physics, по-русски — физика мягкой материи. Как время от времени говорят кое-какие мои коллеги, такие hardcore-физики, «вы изучаете мягкое и мокрое». В действительности мягкого и мокрого около нас довольно много, и мы сами мягкие и влажные, исходя из этого это очень важная вещь.

И вправду, soft matter physics начала весьма бурно развиваться в самом финише XX века и, пожалуй, в первые десятилетия XXI века, и это одна из самые модных, с одной стороны, и, иначе, быстроразвивающихся областей физики. И для данной области крайне важным есть понятие самоорганизации, и полимеры в этом не являются исключением.

Самоорганизация — это обстановка, в то время, когда микроструктура материалов складывается сама собой за счет теплового перемещения.

Другими словами взаимодействие молекул и архитектура молекул таковы, что в следствии этого сотрудничества легко под действием теплового перемещения появляются структуры, владеющие неким масштабом, некой сложной организацией и без того потом. Это и имеется самоорганизация. Другими словами не то, что мы чертим что-то, — это подход, как говорят в нанотехнологиях, «сверху вниз», а сами структуры появляются в следствии теплового перемещения, другими словами как бы подход «снизу вверх».

С данной точки зрения полимеры весьма подвержены самоорганизации, они, пожалуй, значительно лучше самоорганизуются, чем другие материалы.

И давайте посмотрим, из-за чего это так. В действительности, если вы взглянуть на структуру полимерной цепочки, каждое звено в обязательном порядке связано с двумя соседями. С позиций физики это указывает, что у звена полимерной цепочки нет свободы свободного трансляционного перемещения, оно в обязательном порядке связано: в случае если какая-то часть полимерной цепочки идет куда-то, то и соседние звенья идут В том же направлении.

А с трансляционным перемещением неизменно связано понятие энтропии трансляционного перемещения, и эта энтропия, в большинстве случаев, большая, она больше, чем многие другие вклады в энтропию. И этого вклада в полимерных совокупностях по большому счету нет. Трансляционно цепочка может двигаться как целое, но не как отдельное мономерное звено.

Исходя из этого все мы говорим — и это уже ходовое выражение, — что полимерные совокупности бедны энтропией, бедны энтропией как раз вследствие того что энтропии трансляционного перемещения в полимерных совокупностях нет.

У нас имеется два вклада: вклад энтропии и вклад энергии. Энергия связана с сотрудничеством ядерных групп. В большинстве случаев, энергия ведет к тому, что вещество как-то упорядочивается.

Имеется энтропия, которая связана с тепловым перемещением: чем больше энтропии, тем больше разупорядочение. И в случае если полимерные совокупности бедны энтропией, то это указывает, что, по сути, они весьма подвержены самоорганизации, по причине того, что энергия постоянно побеждает энтропию либо во многих случаях побеждает энтропию в полимерных совокупностях, в значительно большем количестве случаев, чем для малых молекул. Нет энтропии трансляционного перемещения, и исходя из этого кроме того не сильный трансформации, не сильный сотрудничества приводят к весьма значительным драматическим трансформациям в полимерной конформации.

Мы можем разглядеть таковой несложный пример. Представьте себе, что у вас имеется шарики — атомы, молекулы — и имеется совершенный газ этих шариков. Включаете не сильный притяжение шариков. Изменится что-то по сути? Изменится мало.

Будет не сильный, неидеальный газ, будут мало другие законы, обрисовывающие данный газ, но по сути это останется газ. До конденсации, до того, дабы данный газ сконденсировался в жидкость, еще весьма на большом растоянии. В случае если это весьма не сильный сотрудничество, большое количество меньше, чем тепловая энергия kT. Сейчас те же шарики, соединенные в долгую цепочку.

У вас практически что получается? Кроме того если вы вводите совсем маленькое притяжение между этими шариками, это уже ведет к драматическим трансформациям, по сути дела, к тому, что рыхлый полимерный клубок схлопывается в плотную глобулу. Уже при малых энергиях значительно меньше энергии теплового перемещения kT.

Из-за чего это так? По причине того, что вам серьёзна не энергия в расчете на одно звено, а энергия в расчете на цепочку, а в цепочке довольно много звеньев.

Итак, полимерные совокупности способны к самоорганизации. Как раз исходя из этого природа и выбрала полимеры, дабы создать живые совокупности. Весьма не сильный сотрудничества в полимерных совокупностях, весьма не сильный сотрудничества на ДНК, белки, полисахариды приводят к значительным конформационным трансформациям.

Исходя из этого самоорганизация в полимерных и биополимерных совокупностях — это ответственное свойство, и как раз исходя из этого, в общем, существует громадное количество научных работ, посвященных самоорганизации в полимерах.

Я начал с того, что полимеры — это очень важный раздел, один из главных разделов физики мягкой материи, soft matter physics. В действительности язык, которым мы оперируем и в soft matter, и в полимерах — я имею в виду в физике полимеров, — он мало отличается от того языка, к которому привыкли люди, изучающие чисто кристаллические жёсткие тела. В частности, я желал бы обратить внимание на два нюанса.

Во-первых, в soft matter и в полимерах значительно громадную роль играются так именуемые скейлинговые рассуждения.

Что означает скейлинг? Это значит, что мы наблюдаем на зависимости особенностей совокупности от разных параметров и пробуем посредством таких несложных мыслей, которые связаны с характерными масштабами, осознать, какие конкретно будут зависимости от параметров, входящих в совокупность. К примеру, в полимерах частенько мы наблюдаем, как свойства материала зависят от длины, от N, от длины полимерной цепочки либо от концентрации, в случае если речь заходит о полимерном растворе, и без того потом.

В том месте появляются в связи с самоподобием полимерных цепей так именуемые степенные зависимости от разных параметров. Больше внимания скейлинговым законам если сравнивать с правильными аналитическими расчетами — это характерно и для физики полимеров, и в целом для soft matter physics.

И второе, на что направляться обратить внимание, — это большая роль компьютерных вычислений, компьютерного моделирования. В действительности в области полимеров чисто аналитические вещи, каковые в большинстве случаев весьма созвучны скейлингу. Французский ученый Пьер Жиль де Жен в 1992 году взял Нобелевскую премию именно за разработку способов скейлинга применительно к науке о полимерах.

Наровне с этим приблизительно с конца 50-х годов, в то время, когда еще компьютеры были весьма не сильный, начинается линия, которая связана с моделированием полимерных совокупностей на персональных компьютерах. И эта линия весьма удачно начинается. Пожалуй, на данный момент значительно больше работ по компьютерному моделированию, по молекулярной динамике, броуновской динамике полимерных цепей если сравнивать с чисто теоретическими работами.

Приблизительно в 2011–2012 году случилась революция в способах громадных параллельных вычислений благодаря применению графических процессоров. Так что я пологаю, что мы стоим на пороге обстановки, в то время, когда вы сможете молекулярно моделировать не только полимерные материалы, какие-то куски полимеров, но и основные явления и живые системы, каковые происходят с полимерами в клетке при главных молекулярных процессах, которые связаны с судьбой: деление ДНК, считывание посредством РНК информации с ДНК, передачу в рибосомы, синтез белка в рибосомах и без того потом. Это, мне думается, будет одним из магистральных направлений физики XX века.

Создатель: Алексей Хохлов

врач физико-математических наук, академик РАН, доктор наук, проректор МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий кафедрой кристаллов и физики полимеров физического факультета московского университета им.

М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией физической химии полимеров ИНЭОС РАН

Все материалы автора

3.7 Самоорганизующиеся системы — Философия для бакалавров


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: