Мезоскопические модели растворов макромолекул

• Автор: Колесников, Андрей Леонидович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Литературный обзор

1.1. Полимеры и их основные свойства

1.2. Полиэлектролиты

1.3. Влияние добавки сорастворителя на свойства растворов полимеров

1.4. Гликозаминогликаны

2. Уравнение состояния раствора полугибких полимерных цепей

2.1. Теоретическая модель

2.2. Модель и параметры взаимодействия между мономерными звеньями

2.3. Численный расчет термодинамических и структурных свойств водных растворов гликозаминогликанов
2.3.1 Осмотическое давление
2.3.2 Степень диссоциации
2.3.3 Персистентная длина полимера в растворе
2.3.4 Радиус инерции
2.4. Выводы к главе
3. Фазовое расслоение в растворах полиэлектролитов, обусловленное корреляционным притяжением
3.1. Теоретический формализм
3.2. Уравнение состояния
3.3. Результаты численных расчетов
3.4. Сравнение с результатами компьютерного моделирования
3.5. Обсуждение результатов и границы применимости модели
3.6. Выводы к главе

4. Переход клубок-глобула в разбавленном растворе полимера, индуцированный добавкой сорастворителя
4.1. Теория
4.2. Численные результаты
4.3. Обсуждение результатов
4.4. Выводы к главе
Заключение
Список условных обозначений
Приложение А. Вывод уравнения состояния
Приложение Б. Вычисление структурного фактора
Приложение В. Локальная диэлектрическая проницаемость
Приложение Г. Вывод свободной энергии раствора
Приложение Д. Статистическая сумма раствора
Список литературы

Введение
Актуальность темы и степень ее разработанности. Исследование растворов полимеров является одним из направлений на пути развития современных химических технологий. Особое место среди растворов полимеров занимают растворы полиэлектролитов, для которых теоретическое описание их термодинамических свойств из первых принципов статистической термодинамики является наиболее трудной задачей. Эти трудности, в первую очередь, связаны с тем, что в физико-химическом поведении растворов полиэлектролитов ключевую роль играют коллективные эффекты, обусловленные дальнодействую-щими кулоновскими взаимодействиями с одной стороны, и цепной структурой макромолекул, с другой. Одними из наиболее интересных с экспериментальной точки зрения характеристик таких систем являются степень диссоциации макромолекулы, ее радиус инерции и персистентная длина, а также осмотическое давление раствора. В последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в экспериментальном изучении этих свойств. Но, как известно, в рамках теоретических моделей, основанных на подробном описании молекулярной структуры биологических макромолекул, пока не удается получить надежных количественных результатов для систем, состоящих из большого числа макромолекул, к которым относятся их растворы. Актуальным и перспективным подходом к теоретическому исследованию таких систем является построение мезоскопических моделей (coarse-grained models), в которых группы атомов объединяются в ’’квазичастицы”, взаимодействующие посредством эффективных потенциалов. При построении таких моделей необходимо развитие надежного теоретического аппарата, позволяющего описывать существующие экспериментальные данные и эффекты, а также обладающего хорошей предсказательной силой.
Большинство теорий растворов полимеров на сегодняшний день опирается на теорию среднего поля, которая хорошо описывает поведение растворов полимеров вдалеке от областей критических явлений, т.е. когда флуктуации концентрации элементарных мономерных звеньев и флуктуации плотности заряда малы. Тем не менее, именно флуктуационные эффекты определяют локальную структуру раствора. В связи с этим возникает необходимость в разработке теории и методов расчета термодинамических и структурных свойств растворов полимеров, выходящих за пределы приближения среднего поля. В качестве од-

Ст (мономоль/л)
Рис. 2.5: Зависимость эффективной степени диссоциации от концентрации полиэлектролита в растворе ГЕП при различных концентрациях (С,) соли ИаСЬ
концентрации добавленной в раствор соли.
2.3.3. Персистентная длина полимера в растворе
В этой секции будет рассмотрена зависимость персистентной длины 1 от электростатических взаимодействий (от параметра экранировки Дебая кр) в растворах ХС, ГЕ, и ГЕП. Этот вопрос является важным из-за большой практической значимости, т.к. персистентная длина характеризует жесткость полимера. Множество свойств макромолекулы зависит от ее жесткости. [50].
Оджик [70], Школьник и Фиксман [71] получили уравнение
1‘=1«+£^’ <218)
описывающее свойства гибких сильно заряженных полиэлектролитов в растворе через параметр электростатических взаимодействий Лд/2/Ь ~ 1. Первый