Самоорганизация полимеров

Министерство образования Российской Федерации

Тверской государственный университет

Кафедра физической химии.

Реферат

Тема:

«Самоорганизация полимеров»

Выполнил: студент

1-го курса магистратуры

В.В. Новиков

Проверил:

проф. д.х.н. Ю.Г. Папулов

Тверь 2002

Содержание

Введение

1. Самоорганизация.

1.1. Самоорганизация синтетических полимеров.

1.2. Самоорганизация в живой природе.

1. Введение

Известно, что многие макромолекулы, содержащие атомные группы различной химической природы, способны самопроизвольно образовывать сложные трёхмерные ансамбли. Это явление называется самоорганизация. В живом мире примеров подобной самоорганизации не перечесть, это и вирусы, и рибосомы, и белковые волокна, и мембраны, и ферментные комплексы. Все они не синтезируются целиком, а собираются из макромолекулярных субъединиц. Известно также, что многие синтетические полимеры тоже способны организовывать сложные структуры. Эти структуры представляют огромный практический интерес. В настоящее время процессы самоорганизации интенсивно изучаются. Огромную роль в этом играют методы компьютерного моделирования.

В повседневной практике мы часто сталкиваем с явлением самоорганизации молекул, например когда имеем дело с водными растворами моющих средств. Обычные мыла способны образовывать в водном окружении агрегаты или кластеры различной формы. Простейшим агрегатом является мицелла - устойчивая группа из нескольких десятков молекул, например н-октаноата калия. Это соединение представляет собой типичную амфифильную молекулу (от греч. амфи, означающего "с двух сторон", и фило - "любящий"). В ее состав входит углеводородный "хвост" CH₃ (CH₂ )₇ -, лишь незначительно растворимый в воде, и полярная "голова" которая обладает прекрасной растворимостью. Поскольку две части с резко различающейся растворимостью химически связаны между собой, возникающий между ними "конфликт интересов" может быть разрешен путем объединения нескольких молекул в мицеллярный агрегат, внешняя оболочка которого состоит из контактирующих с водой полярных групп, а внутренняя область (ядро) заполнена неполярными группами и практически не содержит воды . Таким образом, каждая из частей амфифила попадает в благоприятное окружение. При подходящих концентрациях и температурах процесс молекулярной сборки протекает самопроизвольно, а формировавшаяся супрамолекулярная структура термодинамически стабильна.

Мыла - это лишь частный пример гораздо более широкого класса веществ, способных к самоорганизации. Особое место в этом ряду занимают различные типы ассоциирующих полимерных макромолекул, устроенных подобно обычным амфифилам и поэтому проявляющие сходное поведение. Однако формы самоорганизации полимеров могут быть гораздо более разнообразными. Варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, природу и распределение функциональных групп, удается гибко управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения сложных регулярных наноструктур с уникальными свойствами.

Целью данной работы является обзор проблем, связанных с явлением самоорганизации полимеров, а также методов исследования процессов самоорганизации. В частности остановимся на компьютерном моделировании.

1. Самоорганизация

1.1. Самоорганизация полимеров

Движущие силы самоорганизации

Способность молекул-двулюбов (в том числе и полимерных) к самоорганизации определяется несколькими факторами. Прежде всего необходима достаточно четко выраженная конкуренция различных взаимодействий между их частями или атомными группировками (которые для удобства будем обозначать в общем виде буквами А и В). Поскольку группы А и В входят в состав одной и той же молекулы и именно характер их взаимодействия диктует в конечном итоге специфику поведения системы, соответствующие молекулы иногда называют молекулами с тандемным взаимодействием.

Гидрофобные и электростатические взаимодействия

Для водных систем важнейшими являются гидрофобные и электростатические взаимодействия. Под гидрофобными взаимодействиями понимают силы эффективного притяжения между окруженными водой неполярными органическими группами (для определенности будем считать, что это группы типа А). Такие силы имеют в основном энтропийную природу. Их происхождение объясняется нарушением характерной для воды сетки водородных связей при внедрении чужеродной молекулы или атомной группировки.

Гидрофобное притяжение, подобно ван-дер-ваальсовским взаимодействиям атомов, распространяется на небольшие расстояния - порядка нескольких атомных диаметров. Электростатические силы являются дальнодействующими: известно, что потенциальная энергия системы из двух заряженных частиц определяется законом Кулона, то есть медленно убывают с ростом расстояния r между зарядами. Наличие заряженных групп характерно как для низкомолекулярных амфифилов, так и для многих синтетических и природных полимеров - представителей класса так называемых ионсодержащих макромолекул.

Диссоциация солей жирных кислот в воде или других сильно полярных растворителях приводит к образованию заряженных групп -CO₂ и контрионов (K⁺ ,Na