Версия для слабовидящих
Самоорганизация в полимерных системах Печать Email
Новости об инновациях
30.06.2015

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

Как связаны самоорганизация и энтропия в полимерных системах? Чем способность полимеров к самоорганизации важна для формирования живых систем? Как методы компьютерного моделирования могут помочь в изучении ДНК? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Хохлов.

Прежде всего напомню, что такое полимеры. Полимеры — это длинные молекулярные цепочки, то есть атомные группы, соединенные в цепочку ковалентными химическими связями, это полимерные молекулы. И в принципе, говоря о самоорганизации, давайте сначала вспомним, как организуются обычные низкомолекулярные системы, которые грубо можно представить в виде шариков или маленьких молекулярных групп.

Еще из курса средней школы мы знаем, что все фазовые состояния вещества — это газы, жидкости и твердые тела, причем твердые тела понимаются как кристаллические твердые тела. Давайте с этой точки зрения рассмотрим полимерные системы. Они какие: жидкие, газообразные или твердые? Полимеры — это длинные молекулы, очень трудно провести их возгонку и перевести в газообразное состояние. Полимерных газов практически не существует.

Что касается полимерных кристаллов, монокристаллов, то их тоже практически невозможно получить. Почему? Потому что, когда вы, скажем, понижаете температуру и в полимерной системе идет кристаллизация, она идет одновременно в разных частях этой системы. И кристаллы, образуясь, блокируют возможные перемещения этих длинных полимерных цепочек. Они оказываются как бы встроены в несколько кристаллитов. И очень скоро все замораживается, совершенный монокристалл не образуется, а образуется смесь кристаллических областей, аморфных прослоек и так далее. Так что полимерных кристаллов тоже нет.

И что, назвать все полимерные системы жидкостями? В принципе это правильно. В полимерах нет дальнего порядка, с точки зрения строгой физики это жидкость. Однако на самом деле кроме полимеров таких систем очень много, например стекла, неполимерные стекла или какие-то сложные частично аморфные, частично кристаллические материалы. На самом деле бо́льшая часть материалов, которые нас окружают, — это именно такие материалы. Совершенных монокристаллов в окружающем нас мире очень мало. Поэтому практически любой твердый материал обладает такими характеристиками.

Для описания такого класса материалов в конце XX — начале XXI века возник термин soft matter physics, по-русски — физика мягкой материи. Как иногда говорят некоторые мои коллеги, такие hardcore-физики, «вы изучаете мягкое и мокрое». На самом деле мягкого и мокрого вокруг нас очень много, и мы сами мягкие и мокрые, поэтому это очень важная вещь. И действительно, soft matter physics начала очень бурно развиваться в самом конце XX века и, пожалуй, в первые десятилетия XXI века, и это одна из наиболее модных, с одной стороны, и, с другой стороны, быстроразвивающихся областей физики. И для этой области очень важным является понятие самоорганизации, и полимеры в этом не являются исключением.

Самоорганизация — это ситуация, когда микроструктура материалов складывается сама собой за счет теплового движения.

То есть архитектура молекул и взаимодействие молекул таковы, что в результате этого взаимодействия просто под воздействием теплового движения возникают структуры, обладающие неким масштабом, некой сложной организацией и так далее. Это и есть самоорганизация. То есть не то, что мы чертим что-то, — это подход, как говорят в нанотехнологиях, «сверху вниз», а сами структуры возникают в результате теплового движения, то есть как бы подход «снизу вверх». С этой точки зрения полимеры очень подвержены самоорганизации, они, пожалуй, гораздо лучше самоорганизуются, чем другие материалы.

И давайте посмотрим, почему это так. На самом деле, если вы посмотрите на структуру полимерной цепочки, каждое звено обязательно связано с двумя соседями. С точки зрения физики это означает, что у звена полимерной цепочки нет свободы независимого трансляционного движения, оно обязательно связано: если какая-то часть полимерной цепочки идет куда-то, то и соседние звенья идут туда же. А с трансляционным движением всегда связано понятие энтропии трансляционного движения, и эта энтропия, как правило, очень большая, она больше, чем многие другие вклады в энтропию. И этого вклада в полимерных системах вообще нет. Трансляционно цепочка может двигаться как целое, но не как отдельное мономерное звено. Поэтому все мы говорим — и это уже ходовое выражение, — что полимерные системы бедны энтропией, бедны энтропией именно потому, что энтропии трансляционного движения в полимерных системах нет.

У нас есть два вклада: вклад энергии и вклад энтропии. Энергия связана с взаимодействием атомных групп. Как правило, энергия приводит к тому, что вещество как-то упорядочивается. Есть энтропия, которая связана с тепловым движением: чем больше энтропии, тем больше разупорядочение. И если полимерные системы бедны энтропией, то это означает, что, по сути, они очень подвержены самоорганизации, потому что энергия всегда побеждает энтропию или во многих случаях побеждает энтропию в полимерных системах, в гораздо большем количестве случаев, чем для малых молекул. Нет энтропии трансляционного движения, и поэтому даже слабые изменения, слабые взаимодействия приводят к очень существенным драматическим изменениям в полимерной конформации.

Мы можем рассмотреть такой простейший пример. Представьте себе, что у вас есть шарики — атомы, молекулы — и есть идеальный газ этих шариков. Включаете слабое притяжение шариков. Изменится что-то по сути? Изменится очень мало. Будет слабый, неидеальный газ, будут немного другие законы, описывающие этот газ, но по сути это останется газ. До конденсации, до того, чтобы этот газ сконденсировался в жидкость, еще очень далеко. Если это очень слабое взаимодействие, много меньше, чем тепловая энергия kT. Теперь те же шарики, соединенные в длинную цепочку. У вас фактически что получается? Даже если вы вводите очень небольшое притяжение между этими шариками, это уже приводит к драматическим изменениям, по сути дела, к тому, что рыхлый полимерный клубок схлопывается в плотную глобулу. Уже при малых энергиях гораздо меньше энергии теплового движения kT. Почему это так? Потому что вам важна не энергия в расчете на одно звено, а энергия в расчете на цепочку, а в цепочке очень много звеньев.

Итак, полимерные системы способны к самоорганизации. Именно поэтому природа и выбрала полимеры, чтобы создать живые системы. Очень слабые взаимодействия в полимерных системах, очень слабые взаимодействия на ДНК, белки, полисахариды приводят к существенным конформационным изменениям. Поэтому самоорганизация в полимерных и биополимерных системах — это важное свойство, и именно поэтому, в общем, существует громадное количество научных работ, посвященных самоорганизации в полимерах.

Я начал с того, что полимеры — это очень важный раздел, один из ключевых разделов физики мягкой материи, soft matter physics. На самом деле язык, которым мы оперируем и в soft matter, и в полимерах — я имею в виду в физике полимеров, — он немного отличается от того языка, к которому привыкли люди, изучающие чисто кристаллические твердые тела. В частности, я хотел бы обратить внимание на два аспекта.

Во-первых, в soft matter и в полимерах гораздо большую роль играют так называемые скейлинговые рассуждения.

Что значит скейлинг? Это значит, что мы смотрим на зависимости свойств системы от различных параметров и пытаемся с помощью таких простейших соображений, связанных с характерными масштабами, понять, какие будут зависимости от параметров, входящих в систему. Например, в полимерах очень часто мы смотрим, как свойства материала зависят от длины, от N, от длины полимерной цепочки или от концентрации, если речь идет о полимерном растворе, и так далее. Там возникают в связи с самоподобием полимерных цепей так называемые степенные зависимости от различных параметров. Больше внимания скейлинговым законам по сравнению с точными аналитическими расчетами — это характерно и для физики полимеров, и в целом для soft matter physics.

И второе, на что следует обратить внимание, — это очень большая роль компьютерных вычислений, компьютерного моделирования. На самом деле в области полимеров чисто аналитические вещи, которые обычно очень созвучны скейлингу. Французский ученый Пьер Жиль де Жен в 1992 году получил Нобелевскую премию как раз за разработку методов скейлинга применительно к науке о полимерах. Наряду с этим примерно с конца 50-х годов, когда еще компьютеры были очень слабые, развивается линия, связанная с моделированием полимерных систем на компьютерах. И эта линия очень успешно развивается. Пожалуй, сейчас гораздо больше работ по компьютерному моделированию, по молекулярной динамике, броуновской динамике полимерных цепей по сравнению с чисто теоретическими работами.

Примерно в 2011–2012 году произошла революция в методах больших параллельных вычислений благодаря использованию графических процессоров. Так что я думаю, что мы стоим на пороге ситуации, когда вы сможете молекулярно моделировать не только полимерные материалы, какие-то куски полимеров, но и живые системы и основные явления, которые происходят с полимерами в клетке при основных молекулярных процессах, связанных с жизнью: деление ДНК, считывание с помощью РНК информации с ДНК, передачу в рибосомы, синтез белка в рибосомах и так далее. Это, мне кажется, будет одним из магистральных направлений физики XX века.


Автор: Алексей Хохлов

доктор физико-математических наук, академик РАН, профессор, проректор МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией физической химии полимеров ИНЭОС РАН

Все материалы автора

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/samoorganizatsiya-v-polimernykh-sistemakh

 
Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта
incest xxx free rarefilm.net