М. К. Кротова Научный руководитель П. Г. Халатур Москва, 2006 (стр. 1 из 6)
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Физический факультет
Кафедра физики полимеров и кристаллов
Курсовая работа
Адсорбция сополимера на подложке.
Распознавание сополимером узора на поверхности.
Выполнила студентка 417 группы
М.К. Кротова
Научный руководитель П.Г. Халатур
Москва, 2006
Содержание:
1. Введение …………………………………………3
2. Литературный обзор…………………………….5
2.1. адсорбция сополимеров на поверхности..5
2.2. распознавание полимером поверхности..7
3. Модель…………………………………………..10
4. Методика вычислений………………………….17
4. Результаты………………………………………20
4.1. изменение температуры…………………20
4.2. изменение “температуры мутации”…….26
4.3. изменение длины цепи …….…………....29
4.4. изменение ширины полосы …………….34
5. Выводы…………………………………………..38
6. Список литературы……………………………..39
1. Введение
В последнее время процессы распознавания поверхностей полимерами активно исследуются. Распознавание поверхности полимером заключается в его способности адсорбироваться преимущественно на определенных участках неоднородной поверхности или как принято говорить поверхности с заданным узором. Интерес к этим исследованиям вызван многими факторами. Во-первых, распознавание поверхности полимером или селективное молекулярное распознавание управляет многими биологическими процессами, такими как связывание белков с ДНК [1], внутриклеточное распознавание и т.д. С другой стороны, свойство полимеров распознавать и адсорбироваться на той или иной поверхности необходимо для решения ряда прикладных задач, таких как направленное действия лекарств в фармацевтике или развитие биосенсорных материалов.
Как правило, в качестве модельных полимеров, распознающих поверхности, исследуются сополимеры, содержащие мономерные звенья двух типов. Предполагаются некие заданные распределения звеньев вдоль цепи и исследуется, в случае каких из этих распределений адсорбция сополимеров на сложных поверхностях будет наиболее выраженной [2,3]. Таким образом, определяется наилучшее из заданных распределений.
Другой способ решения проблемы распознавания поверхности состоит в том, чтобы непосредственно в расчетах варьировать распределение звеньев в сополимере и искать такие распределения, при которых адсорбция сополимеров будет самой сильной [4,5]. Так что результатом расчета является оптимальное из всех возможных (а не предложенных) распределений звеньев А и В, при котором сополимер селективно адсорбируется на поверхности с заданным узором.
Нами был исследован случай распознавания АВ сополимером неоднородной поверхности, состоящей из последовательности полос двух типов A и B с различным сродством к звеньям A и B и определена статистика сополимеров, при которой они будут лучше других распознавать эту поверхность. В этой задаче под распознаванием мы подразумеваем такую адсорбцию, когда сополимер, адсорбируясь на узорчатой поверхности, принимает уникальную конформацию, соответствующую основному состоянию и обусловленную геометрией и химическим строением узора. Модель такого распознавания была предложена Ю.А. Криксиным, П.Г. Халатуром и А.Р. Хохловым [6]. Мы исследовали систему АВ сополимер на полосатой АВ поверхности на основе этой модели методом компьютерного эксперимента с использованием модифицированного метода Монте Карло [7].
2. Литературный обзор.
Исследование адсорбции сополимеров на неоднородных поверхностях проводилось аналитическими, численными и экспериментальными методами [2, 5, 8-10, 14, 16].
2.1. Адсорбция полимеров на поверхностях.
В одной из первых работ, посвященной изучению влияния макромолекулярной структуры на процесс адсорбции полимера [8], была рассмотрена адсорбирующая поверхность и раствор сополимера, состоящего из звеньев двух типов A и B, причем мономеры типа A притягиваются к поверхности, а мономеры типа B не взаимодействуют, или отталкиваются от поверхности. Было обнаружено, что адсорбция такого сополимера зависит не только от количества звеньев типа A, но также и от расположения звеньев по цепи. Так, диблок и триблок BAB обеспечивают самую высокую долю адсорбированных звеньев A. Более того, триблок BAB обеспечивает наименьшее по сравнению с другими последовательностями поверхностное натяжение.
В следующей работе [5] эти авторы изучали адсорбцию случайных AB сополимеров на однородной поверхности и случай адсорбции гомополимера на поверхности, состоящей из сайтов двух типов, причем только сайты одного типа взаимодействуют с полимером. Было изучено поведение системы, в частности адсорбционного перехода, в зависимости от отношения между двумя типами звеньев в первом случае и двумя типами сайтов во втором и от количества звеньев в полимере. Также был проведен сравнительный анализ между этими двумя случаями.
Система, когда есть адсорбирующая поверхность и есть раствор сополимеров, которые состоят из звеньев двух типов A и B, причем мономеры типа A притягиваются к поверхности, а мономеры типа B не взаимодействуют с поверхностью, рассматривалась также позднее в работе [2], где изучалось, как адсорбционный переход зависит от последовательности мономерных звеньев в цепи. Были исследованы последовательности, состоящие из многократно повторяющихся блоков AAAB, AAB, AB, ABB, ABBB. Было показано, что во всех изученных случаях адсорбционный переход является переходом второго рода, как и в случае гомополимера, адсорбирующегося на однородной поверхности.
А.Найденов и С.Нечаев изучали адсорбционный переход кольцевых макромолекул, состоящих из звеньев сорта А и B на однородной поверхности [9]. Ими была предложена оригинальная полуаналитическая модель процессов адсорбции кольцевых макромолекул, позволяющая исследовать этот процесс для последовательностей, в которых химическая структура цепей может изменяться по мере адсорбции (в «канонических» макромолекулах фиксируется последовательность, где сорт звена варьируется с некоторой вероятностью, в «микроканонических» макромолекулах – при всех возможных вариациях сорта звеньев сохраняется соотношение в их количествах). Были построены зависимости критической энергии адсорбции от длины макромолекул и показано, что при адсорбции изменения химической структуры соседних по цепи звеньев скореллированы.
В работе [10] методом молекулярной динамики изучена адсорбция амфифильных АВ сополимеров на границе жидкость-жидкость. Располагаясь на границе, цепь АВ значительно уменьшает силу поверхностного натяжения. Авторы рассмотрели различные последовательности, для характеризации размещения звеньев А и В в которых ввели параметр f: PAPA→B= (PAPB)1/2f, где PA и PB – это доля A и B мономеров в цепи, PA→B – это условная вероятность того, что за A мономером следует мономер B (параметр f лежит между 0 и 1). Ими была оценена характерная длина L*, на которой цепь размещается на границе раздела, так, что ее различные участки (длиной меньшей L*) переходят из одной жидкой фазы в другую:
, где Δ обозначает энергию взаимодействия мономера с раствором. Видно, что функция L*(f) имеет четкий минимум, который сдвигается в сторону больших f с увеличением Δ. Таким образом, было показано, что для того, чтобы при заданной температуре и несовместимости жидкостей сополимер максимально расположился на границе жидкость-жидкость, его последовательность должна отвечать некоторым ограничениям и она не должна быть совершенно случайной или блочной.2.2. Распознавание полимером поверхности.
Ряд недавних статей посвящен изучению вопроса, может ли сополимер распознавать поверхность [3, 4, 12, 14], в том смысле, может ли он на большой поверхности выделить определенный участок и адсорбироваться именно на нем. В перспективе такого рода адсорбция может позволить передавать «узор» поверхности на любое заданное расстояние.
Одной из первых работ в этой области является работа Томаса Богнера, Андреаса Дегенхарда и Фридерики Шмид [3], посвященная молекулярному распознаванию сополимерами химически структурированной поверхности. Было обнаружено, что для успешного распознавания поверхности ее узор должен отвечать некоторым требованиям, так, например, он должен содержать предпочтительно гидрофобные, притягивающие звенья сайты во внутренней части. С другой стороны, оптимальные с точки зрения адсорбции на заданной поверхности сополимеры могут обладать существенно различными составами и распределениями звеньев по составу. Более того, близость последовательностей не всегда означает близость их способностей к преимущественной адсорбции, т.е. распознаванию.
Одной из последних работ, посвященной теме распознавания узора сополимером и передачи его на расстояние, является статья [4], посвященная компьютерному изучению передачи узора, находящегося на диблок сополимерной пленке, которая адсорбируется на химически неоднородной поверхности. Авторы изучали, как пленка может перенимать специфический узор поверхности, и затем использовали методы компьютерного моделирования для создания узора, который поможет адсорбирующейся пленке содержать этот узор. Они также изучили эффекты, связанные с изменением длины сополимера, размера пластинки с узором, и расстояния от поверхности с узором, и влияющие на расстояние, на которое узор может передаться. Целью их работы являлось понимание того, как узор на сополимерной пленке на определенном расстоянии от поверхности проникает через адсорбированную пленку на адсорбирующую неоднородную поверхность. Система изучалась с помощью метода Монте-Карло. Авторы обнаружили, что при увеличении расстояния от подложки, где находится целевой узор, передача узора уменьшается для всех узоров и всех длин цепей. При постоянном размере узора на подложке, передача узора на поверхность увеличивается с увеличением длины цепи. В случае одной длины цепи хорошо передаются узоры, при которых цепь принимает значение энергии, близкое к значению энергии, характерному для цепи в случае, если бы не было узорчатой поверхности.