6 December 2021, 21:40

Физики МГУ смоделировали поведение полимеров, напоминающих пальмы

Сотрудники физического факультета МГУ предсказали, какой формы будут получаться частицы из полимеров, архитектура которых напоминает пальмы. Ученых интересовало, как будет меняться результат сборки таких полимеров-пальм в зависимости от строения молекул и свойств среды-растворителя. Исследование поможет получать полимерные частицы желаемой формы в реальном эксперименте, которые впоследствии могут служить наноконтейнерами для эффективной адресной доставки лекарств или основой для создания новых пористых материалов. Научная работа опубликована в журнале Journal of Colloid and Interface Science.

Физики МГУ смоделировали поведение полимеров, напоминающих пальмы
Образуемые молекулами структуры

В работе моделировался процесс самосборки полимерных структур. Это значит, что из сотен отдельных «звеньев» (молекул-пальм), изначально плавающих в растворе, самостоятельно собирается структура определенной морфологии (формы). В результате могут получаться совершенно разные варианты: сферы, цилиндры, везикулы («пузырьки»). И чтобы полученная в эксперименте форма частиц не стала сюрпризом, ученые используют компьютерное моделирование для ее предсказания.

«Наш полимер состоял из отдельных “листьев” и “ствола” – полимерных цепей различного состава, сшитых химически в единую молекулу-пальму. Преимущество пальмовидных полимеров по сравнению с “обычными” линейными цепями состоит в том, что получаемые из них частицы будут обладать гораздо более однородными размерами. В компьютерной модели мы рассматривали ансамбли из нескольких сотен и даже тысяч таких молекул с разными длинами листьев и стволов, чтобы узнать, как будет меняться конечная форма полимерных частиц. Компьютерное моделирование позволяет изучать сложные молекулярные системы на мезоскопическом уровне (на уровне десятков и сотен нанометров) без дорогостоящих и сложных измерений. Поэтому полимеры, состоящие из тысяч атомов, являются подходящими системами для вычислительных экспериментов», – рассказал руководитель научной группы, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов Игорь Потемкин.

Ученые выяснили, что из более разветвленных молекул-пальм (полимеров с большим числом «листьев») с большей вероятностью собираются частицы сферической формы. В то же время, характеристики частиц цилиндрической формы можно менять, изменяя одновременно длину стволов и листьев молекул. Возможность получения именно цилиндрических частиц интересна с точки зрения доставки лекарств, поскольку их движение в кровотоке должно быть более направленным по сравнению со сферическими частицами.

Важную роль в моделировании играет взаимодействие молекул с растворителем, в котором они «плавают». У пальмовидных полимеров ствол стремится избегать контакта с растворителем, а листья, наоборот, интенсивно с ним взаимодействуют. Такое поведение называется амфифильным и определяет характеристики процесса самосборки. Поэтому в процессе моделирования было также исследовано влияние разных растворов на получаемую форму частиц. Было установлено, что при ухудшении взаимодействия между стволом и растворителем форма частиц может переходить как от сферических в цилиндрических, так и от цилиндрических в везикулы.

Следующий шаг исследования – проверка результатов моделирования в эксперименте. Ученым интересно получить цилиндрические частицы и научиться изменять их размеры меняя параметры исходных молекул-пальм. Веществами-кандидатами для проверки гипотезы могут стать разветвленные полимеры на основе полипептидов (длинные цепи из аминокислот), которые ввиду своей биосовместимости отлично подойдут для создания лекарственных наноконтейнеров.

 

News article publications

Read also

Полимерный слой позволяет защитить аккумуляторы от возгорания
Ученые обнаружили, что слой полимера, нанесенный между слоями фольги и катодного вещества в литий-ионном аккумуляторе, позволяет предотвратить его возгорание или взрыв. Предложенный авторами полимер проводит электричество, но, как только напряжение становится выше, чем то, на которое рассчитан аккумулятор, соединение окисляется и перестает проводить ток. Благодаря этому аккумулятор, использующийся в смартфонах и электромобилях, не перегревается и абсолютно не способен самовозгораться.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Electrochemistry
Polymer Chemistry
11 December 2023
Новая подложка для мембран в 2 раза повысит скорость очистки природного газа
Ученые создали «идеальную» подложку для мембран, которые используются для очистки природного газа от тяжелых углеводородов. Такие молекулы нужно удалять, поскольку они могут конденсироваться в трубопроводе, что будет негативно сказываться на его работе. Новая подложка из полисульфона обладает идеальным сопротивлением, то есть практически не препятствует транспорту газа через газоразделительную мембрану. Это поможет более чем в 9 раз сократить энергетические затраты на разделение природного газа и повысит скорость его очистки более чем в два раза.
Composites
Energy industry
Polymer Chemistry
17 November 2023
Усовершенствован анализ качества растворителей литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в нашей жизни: от бытовой техники и электромобилей до накопителей энергии в системах жизнеобеспечения труднодоступных районов. Они хорошо зарекомендовали себя в работе, имея высокую плотность энергии и низкий саморазряд. В достижении наилучших характеристик аккумуляторов огромную роль играет состав раствора электролита. Ученые МФТИ и ОИВТ РАН разработали более быстрый и надежный метод проверки состава на молекулярном уровне, который может обеспечить максимальный КПД.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Electrochemistry
Molecular modeling
19 October 2023
Биологи изучили динамику важного для регуляции генома димера гистоновых белков
Оказалось, большую роль играет изгибание как самого димера, так и ДНК, с которой он взаимодействует
Molecular Biology
Molecular modeling
26 May 2023
Аэрогель поможет вернуть в оборот перспективное многофункциональное лекарство
Полученные данные потенциально могут использоваться для разработки препаратов на основе мефенамовой кислоты, применение которых приостановлено из-за ее слабой растворимости в биологических жидкостях
Materials Science
Pharmacology
Polymer Chemistry
2 May 2023
ДНК-аптамерные метки помогли видеть глиому прямо во время операции на мозге
Они со 100% избирательностью связывались с клетками опухоли и при этом были безопасны для подопытных животных
Molecular Biology
Molecular modeling
Oncology
10 April 2023