Самоорганизующиеся гетерополимерные нанореакторы

найдены и теоретически описаны системы, в которых образуются структуры с протяженной межфазной границей, перспективной для формирования поверхностных нанореакторов. В деталях исследованы мультиблочники, с двумя характерными масштабами, диблочники из гомополимерных и амфифильных мономерных звеньев, а также глобулярные макромолекулы – гомополимеры и сополимеры с белковоподобной статистикой распределения звеньев. Исследования проводились методами теоретической физики и методом компьютерного эксперимента (Монте Карло и молекулярной динамики), для чего нами были созданы оригинальные методики расчета и пакеты компьютерных программ. Следует отметить, что в большей своей части данная работа не имеет литературных аналогов.

На втором этапе работ по проекту особенное внимание было построение теоретических основ использования глобул в роли микрореакторов. С этой целью были изучены системы, когда реакция проходила внутри глобулы, и когда роль реактора играла поверхность глобулы. Показано, что проведение реакции в системе может вызвать разрушение глобулы, при этом глобула формирует два полусферических кластера, заполненных реагирующими веществами. Проведено теоретическое изучение свойств химических реакций между низкомолекулярными веществами с высоким сродством к полимеру внутри полимерных глобул нанометровых размеров. Исследования проводились методами теоретической физики и методом компьютерного эксперимента (Монте Карло и молекулярной динамики), для чего нами были созданы оригинальные методики расчета и пакеты компьютерных программ..

Проведено теоретическое исследование условий стабильности полимерных глобул в растворах реагентов с высоким сродством к матрице полимера, предложен новый метод описания, построены наборы фазовых диаграмм.
Изучены условия создания стабильных растворимых глобул. Показано, что такие глобулы могут быть созданы на основе амфифильных макромолекул с невысокой жесткостью основной цепи. Проведено стравнение с литературными данными по биологическим и синтетическим макромолекулам.
Продолжены исследования выделенных нами на первом этапе систем, перспективных с точки зрения формирования протяженных структур с хорошо определенными границами и формирования на основе этих структур поверхностных нанореакторов. Показано, что наиболее эффективно в таких случаях использовать блок-сополимеры, состоящие из обычного и амфифильного блоков. Поскольку такие макромолекулы образуют стабильные в широкой области биконтинуальные системы, наиболее эффективные с точки зрения создания поверхностных нанореакторов.

Были исследованы нанореакторы на основе растворимых глобул, а также поверхностные нанореакторы в систе-мах со стабильными биконтинуальными межфазными границами. Показано, что растворимые глобулы образуются как в разбавленных, так и полуразбав-ленных растворах относительно гибких амфифильных макромолекул. Жест-кие макромолекулы в разбавленных растворах формируют растворимые гло-булы, а в полуразбавленных – агрегаты из нескольких макромолекул.
Для определения стабильности сополимерных глобул в смешанных растворителях была проведена классификация возможных типов фазовых диаграмм по топологии расположения в них линий конформационных пере-ходов. Для таких систем был проведен анализ особенностей химических пре-вращений с учетом физических факторов, таких как солюбилизация раство-рителя. Были рассмотрены три типа различных химических превращений, протекающих в гетерополимерных нанореакторах: полимераналогичная ре-акция в разбавленном растворе гомополимера, чьи звенья содержат функ-циональные группы, которые способны в результате их реакции с низкомо-лекулярным соединением превращаться в звенья другого типа; полимерана-логичная реакция с участием двух низкомолекулярных реагентов. Детально изучена радикальная сополимеризация в аномальных системах, где макрора-дикалы растут в глобулярном состоянии, представляя собой одновременно гетерополимерные реакторы.
Проведено теоретическое рассмотрение образования периодических морфологий для ряда моделей блоксополимеров с амфифильными блоками. Показано, что типичным и специфическим свойством этих блок-сополимеров является наличие критической точки при аномально низкой доле амфифиль-ных звеньев, вблизи которой происходит переход в ламеллярную фазу из не-упорядоченной. Другим замечательным свойством рассмотренных систем является существование биконтинуальных фаз типа гироида, обладающих высокими транспортными свойствами. Ускорение реакций между поверхно-стно-активными веществами в таких системах вызвано не только концентри-рованием реагентов, но и их более эффективной диффузией.
Результаты работы частично обобщены в обзорной статье, где прове-дено сопоставление теоретических исследований с экспериментальными данными и на примере реакций гидролиза показана эффективность использо-вания поверхностных нанореакторов для увеличения скорости реакции в не-сколько раз.