Компьютерное моделирование разбавленных и концентрированных растворов жесткоцепных макромолекул

• Автор: Стукан, Михаил Реональдович
• Шифр специальности: 01.04.07, 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил

Содержание
Введение

1 Обзор литературы

1.1 Переход клубок глобула теория, компьютерное моделирование, эксперимент

1.2 Расчет давления в компьютерном моделировании

1.3 Жидкокристаллическое упорядочение в полимерных си

стемах теория, компьютерное моделирование и сравнение с экспериментальными данными

1.4 Заключение

2 Диаграмма состояний одиночной жесткоцеиной макромолекулы

2.1 Модель и техника вычислений.

2.1.1 Описание модели.

2.1.2 Рассчитываемые параметры
2.1.3 Локализация переходов и пересчет гистограмм .
2.2 Теоретическая диаграмма состояний одиночной жесткоцепной макромолекулы конечной длины.
2.2.1 Переход клубок изотропная глобула.
2.2.2 Переходы клубок тор и тор сферическая глобула .
2.3 Диаграммы состояний жесткоцепных макромолекул дли
ной и мономерных звеньев компьютерное моделирование
2.3.1 Диаграмма состояний одиночной жесткоцепной макромолекулы .
2.3.2 Изменение температуры при постоянной жесткости
2.3.3 Изменение жесткости при постоянной температуре
2.3.4 Выделение структур и их анализ
2.3.5 Зависимость размеров тороидальной глобулы от длины цепи
2.4 Заключение
3 Расчет давления в полимерных системах конечного размера
3.1 Поверхностная термодинамика жидкости вблизи непроницаемой стенки
3.2 Описание модели.
3.3 Результаты расчета давления .
3.4 Причины возникновения эффектов конечного размера .
3.5 Исключение влияния конечного размера системы на результат вычисления давления
3.6 Заключение
4 Фазовая диаграмма раствора жесткоцепных макромолекул
4.1 Описание модели
4.2 Результаты моделирования.
4.2.1 Нематическое упорядочение в системе цепей с объемным взаимодействием .
4.2.2 Фазовая диаграмма раствора жесткоцепных макромолекул
4.3 Заключение.
Выводы
Благодарности
Список литературы


Метод оказывается эффективным для определения равновесных характеристик систем, кроме того, если при моделировании движения цепей ограничиться только локальными смещениями мономерных звеньев, можно сделать некоторые выводы относительно динамических свойств системы [7]. Основной трудностью при использовании метода Монте-Карло является правильное усреднение полученных величин. Для этого используемый алгоритм должен позволять получать с правильным весом конформации, дающие существенный вклад в усреднение, при этом эффективность алгоритма определяется тем, как быстро с его помощью можно получить конформацию, не зависящую от стартовой [-]. ДНК является жесткоцепным. В последние годы было предпринято множество как теоретических, так и экспериментальных попыток изучения процесса упаковки ДНК. Большинство исследований были посвящены рассмотрению двух вопросов. Во-первых, наличие каких сил в системе приводит к сворачиванию развернутой молекулы ДИК в компактную глобулу? Точнее, учитывая существенную отрицательную зараженность спирали ДНК, какие силы в системе способны преодолеть кулоновское отталкивание? Второй вопрос заключается в том, какие именно формы может принимать сколлапсировавшая молекула. Что касается вопроса о наличии в системе сил притяжения, то в последние годы было показано [-], что наличие в системе упорядоченно расположенных мультивалентных ионов (с зарядами три и более) приводит к возникновению в системе сил дальнодействующего притяжения. В свою очередь, проблема упаковки ДНК в глобулярную структуру находит свое отражение в исследовании перехода клубок — глобула в жесткоцепных полимерах. Часто полимер в сколлапсированном состоянии имеет нетривиальную структуру. Одной из таких форм является тороид, что вполне объяснимо, учитывая персистентный механизм жесткости спиралей ДНК. Однако, тороид является не единственно возможным типом глобулярной конформации, также наблюдаются стержни, сферические глобулы и другие. По данной проблеме существует большое количество теоретических работ [-,,,,]. Кроме того, изучение деталей процесса перехода производилось при помощи методов компьютерного моделирования [-,-,5-7]. При этом имеется большое количество экспериментальных результатов [-], позволяющих осуществить проверку теоретических расчетов. В настоящее время существует достаточно хорошо развитая теория, описывающая процесс перехода клубок — глобула при различных значениях жесткости, как для бесконечно длинных цепей, так и для цепей конечной длины [-]. Напомним, что конформационный переход называется фазовым, если его ширина АТ стремится к нулю при ^ оо (Л^ — длина цепи). Если фазовый переход является переходом I рода (разрыв претерпевает первая производная свободной энергии), то в области перехода существует два минимума свободной энергии в пространстве макропеременных и, соответственно, два устойчивых состояния. Если фазовый переход является переходом II рода (разрыв претерпевает вторая производная свободной энергии), в области перехода существует лишь один минимум свободной энергии в пространстве макропеременных, т. В [-] было показано, что переход клубок — глобула является фазовым (его ширина АТ -4 0 при N —^ оо), при этом для жестких цепей переход клубок — глобула происходит как фазовый переход I рода с конечным скачком плотности несколько ниже 0-точки. Однако, по некоторым своим признакам этот переход похож на переход II рода, например, теплота перехода мала. В случае гибкой цепи переход клубок — глобула происходит как плавный фазовый переход II рода, растянутый на всю 0-область. Важным отличием глобулы от клубка является то, что в малом объеме глобулы содержатся нескоррелированные участки цепи, что напоминает раствор или смесь отдельных цепей, при этом плотное ядро глобулы имеет однородную плотность. А. Ю. Гросберга и Д. В. Кузнецова [-]. Были теоретически рассчитаны квадратичный радиус инерции Л2, гидродинамический радиус и их флуктуации, детально изучены бинодальный и спинодальный распады, был введен критерий оценки жесткости цепей. Так, полимер считается жестким, если С1у^2/а3 < 0. С — третий вириальный коэффициент; а — расстояние между бусинками в стандартной Гауссовой модели. С1/,2/а3 > 0. Здьь) » (^сои) — среднеквадратичные радиусы инерции глобулы и клубка соответственно.