Самоорганизация амфифильных макромолекул в растворе и привитых слоях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат физико-математических наук Глаголев, Михаил Константинович

• Глаголев, Михаил Константинович
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Глаголев, Михаил Константинович

Оглавление

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Линейные амфифильные макромолекулы

1.1.1 Простейшая двухбуквенная НР модель гидрофобно-гидрофильных макромолекул. Белковоподобные макромолекулы

1.1.2 Амфифильные на уровне отдельного звена макромолекулы. Классификация

1.1.3 Амфифильные на уровне отдельного звена макромолекулы. Модель «гантелек»

1.1.4 Жесткоцепные амфифильные макромолекулы

1.2 Межмолекулярные комплексы амфифильных макромолекул в растворах

1.3. Макромолекулы с локальной спиральной структурой

1.3.1. Вторичная спиральная структура в биологических макромолекулах

1.3.2. Теоретические модели макромолекул с локальной спиральной структурой. Модели макромолекул с потенциалами углов вращения

1.4 Полимерные щетки

2. Самоорганизация макромолекул с локальной спиральной структурой в разбавленных и концентрированных растворах

2.1 Модель и техника эксперимента

2.1.1 Модель одиночной цепи

2.1.2 Реализация потенциалов углов изгиба и внутреннего вращения

2.1.3 Исследование полуразбавленных растворов

2.1.4 Исследование концентрированных растворов

2.2 Компактизация макромолекул в разбавленных растворах

2.3 Формирование фибриллярных агрегатов в полуразбавленных растворах

2.4 Самоорганизация в концентрированных растворах

3. Слои привитого сополимера

3.1 Модель и техника эксперимента

3.2 Результаты

Выводы

Благодарности

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самоорганизация амфифильных макромолекул в растворе и привитых слоях»

Введение.

Актуальность работы

На фоне всё более широкого распространения «умных» материалов и миниатюризации продуктов высоких технологий растет интерес к системам, способным к спонтанной самоорганизации при изменении свойств окружающей среды. К числу наиболее перспективных и эффективных в этой связи систем, несомненно, относятся амфифильные макромолекулы, содержащие функциональные группы, имеющие разное сродство к полярным и неполярным растворителям. Наличие в амфифильных макромолекулах групп с различным сродством к растворителю способствует их внутримолекулярной самоорганизации, межмолекулярной агрегации, образованию сложных надмолекулярных структур. В данной работе были исследованы амфифильные макромолекулы с локальной спиральной структурой и плотные слои амфифильных макромолекул, пришитых одним концом к плоской поверхности.

Вторичная спиральная структура - а-спирали и /?-слои в белках, спирали в синтетических полипептидах и полисахаридах, двойная спираль ДНК - является одним из наиболее часто встречающихся типов локального самоупорядочения в синтетических и биологических макромолекулах. Она фиксируется различными взаимодействиями между мономерными звеньями, такими как взаимодействия _ исключенного объема, электростатические взаимодействия, образование дисульфидных мостиков и водородных связей. При изменении физических параметров растворителя (температуры, ионной силы, качества растворителя) эти взаимодействия ослабевают, вторичная структура разрушается, происходит так называемый переход «спираль-клубок». Одновременно, с этим переходом происходит и изменение пространственной (третичной) структуры или конформации макромолекулы. В концентрированных растворах взаимодействия, приводящие к образованию локальной спиральной структуры, будут способствовать образованию различных надмолекулярных образований, таких как мицеллы, бислои, фибриллы.

Амфифильные макромолекулы используются для создания умных покрытий, чувствительных к изменению внешних условий. С этой целью они плотно одним концом прививаются к однородной поверхности, создавая защитный слой в виде

полимерной щетки. Если в ходе функционирования системы необходимо изменить свойства поверхности, эффективно использование амфифильных щеток, в которых различные макромолекулы привиты к поверхности или сами привитые макромолекулы состоят из звеньев с различным сродством к растворителю. Простейшим примером амфифильных щеток являются щетки АВ диблок-сополимеров. В таких щетках могут формироваться новые, отличные от случая раствора амфифильных макромолекул, весьма необычные структуры, свойства которых зависят как от взаимодействия блоков с растворителем и друг с другом, так и от плотности пришивки полимерных цепей к поверхности и от относительной длины каждого из блоков.

Отметим, что в условиях, когда новые методы синтеза позволяют конструировать амфифильные макромолекулы из самых разных мономерных звеньев, для поиска эффективных для тех или иных приложений сложных полимерных систем разумно использовать компьютерное моделирование.

Цель работы

Цель настоящей работы - исследование процессов самоорганизации в сложных системах амфифильных макромолекул, а именно растворах амфифильных макромолекул с локальной спиральной структурой и щетках диблок-сополимера, пришитых к плоской поверхности.

Научная новизна.

• В настоящей работе впервые проведены комплексные исследования амфифильных макромолекул с локальной спиральной структурой, задаваемой действием потенциалов, накладываемых на углы изгиба и внутреннего вращения основной цепи, в разбавленных и концентрированных растворах.

• Впервые показано, что при компактизации амфифильных макромолекул с локальной спиральной структурой происходит стабилизация локальной спиральной структуры и образуются глобулы сложного состава, характеристики которых определяются параметрами спиральной структуры.

• Впервые показано, что в полуразбавленных растворах амфифильные макромолекулы с локальной спиральной структурой формируют агрегаты-жгуты из

нескольких макромолекул и обнаружено эффективное разделение макромолекул, имеющих спиральные локальные структуры различной хиральности.

• Впервые в компьютерных экспериментах обнаружено явление упорядочения агрегатов-жгутов из амфифильных макромолекул, спонтанно формирующихся в концентрированных растворах при ухудшении качества растворителя.

• Предложена оригинальная компьютерная модель для описания диблок-сополимерных щеток, состоящих из сильно несовместимых звеньев, в рамках которой исследованы явления самоорганизации при увеличении притяжения звеньев поверхностных блоков.

Практическая ценность

Практическая ценность работы определяется тем, что ее результаты уже используются для интерпретации и анализа экспериментальных данных по поведению макромолекул, обладающих локальной спиральной структурой, в растворах различных концентраций - от предельно разбавленных до концентрированных. Кроме того, результаты могут служить теоретической основой при создании нанофибрилл, микроволокон и самоорганизующихся жидкокристаллических систем на их основе, а также поверхностей с регулируемой адсорбцией низкомолекулярных веществ.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены на Четвертой и Пятой Всероссийских Каргинских конференциях, Москва, 2007, 2010, XIV и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 2009, 2012, XXI и XXII симпозиумах «Современная химическая физика», Туапсе, 2009, 2010, международном семинаре "Theory and Computer Simulation of Polymers: New Developments", Москва, 2010, 43-м Всемирном полимерном конгрессе ИЮПАК, Глазго, 2010, X и XI конференциях студентов и аспирантов НОЦ по физике и химии полимеров, Москва, 2010, 2011, Седьмом международном симпозиуме "Molecular Mobility and Order in Polymer Systems", Санкт-Петербург, 2011, Всероссийской конференции «Актуальные проблемы физики полимеров и биополимеров», Москва, 2012.

Публикации

На основе результатов данной диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, из которых 4 статьи и 12 тезисов.

Личный вклад.

Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с научными руководителями при его личном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 120 страниц текста, включая 61 рисунок, 40 формул, оглавление и список литературы из 121 наименования. В работе принята сквозная нумерация рисунков и формул.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации. Вторая глава посвящена исследованию самоорганизации макромолекул с локальной спиральной структурой. В первой части описана модель и условия проведенных компьютерных экспериментов. Во второй части описаны результаты моделирования разбавленных растворов макромолекул с локальной спиральной структурой. В третьей части описаны результаты, относящиеся к моделированию полуразбавленных растворов макромолекул. Четвертая часть посвящена моделированию концентрированных растворов макромолекул с локальной спиральной структурой.

Третья глава посвящена моделированию щетки диблок-сополимера, пришитой к плоской поверхности. В первой части описывается разработанная нами модель диблок-сополимерной щетки. Во второй части приводятся и анализируются результаты, полученные с помощью данной модели.

1. Обзор литературы.

1.1. Линейные амфифильные макромолекулы

1.1.1 Простейшая двухбуквенная НР модель гидрофобно-гидрофильных макромолекул. Белковоподобные макромолекулы.

Конформационные свойства полимеров, состоящих из звеньев с разной степенью сродства с водой, определяются сочетанием гидрофобно-гидрофильных, диполь-дипольных, электростатических взаимодействий, процессов образования водородных связей. В течение многих лет основной моделью, описывающей этот ансамбль взаимодействий, служила модель «бусинок на цепи», предложенная Лау и Диллом в работах [1,2] для описания процессов компактизации белковых макромолекул. В рамках такой модели звенья, распределенные вдоль линейной цепи, разделяются на две группы: на гидрофобные Н и гидрофильные (полярные) Р (рис. 1).

Рис. 1. Простейшая модель гидрофобно-гидрофильной макромолекулы.

В работе [1] при помощи двухбуквенной НР-модели Лау и Дилл изучили полные конформационные пространства и полные пространства последовательностей коротких (длины N=10 звеньев) НР цепочек на двумерной решетке. Число возможных двухбуквенных первичных последовательностей цепочки длины N=10 равно 210=Ю24, на 2Б решетке она может реализовать 2034 различные конформации. Процесс свертывания моделировался как случайное блуждание цепи с данной первичной последовательностью по 2Б решетке, затем вычислялась полная энергия конформации, полученной в результате случайного блуждания. Гидрофобный эффект моделировался путем назначения отрицательной энергии взаимодействия не связанных Н звеньев. Конформация, обладающая минимальной энергией, считалась глобулярным состоянием, соответствующим данной первичной последовательности Н и Р звеньев. Путем исследования всех вышеперечисленных состояний системы и последующего анализа полученных данных о фазовом пространстве таких цепей было показано, что способность цепи

сворачиваться в плотную глобулу с гидрофобным ядром зависит не только от процентного соотношения Н и Р звеньев, но и от их взаимного расположения вдоль по цепи (от первичной последовательности цепи) и что существуют "плохие" и "хорошие" первичные последовательности в смысле величины энергетических затрат на формирование плотной глобулы с гидрофобным ядром. Несомненным достоинством модели [1,2] является ее простота и потому эта модель и ее модификации используется до сих пор как для создания простейших моделей белков, так и для описания особенностей поведения многих макромолекулярных систем, состоящих из звеньев с различным сродством к растворителю и друг к другу [3-5].

Одной из таких задач является поиск оптимальных первичных НР последовательностей для моделирования водорастворимых глобулярных белков, которые в глобулярном состоянии имеют плотное гидрофобное Н ядро, покрытое плотным слоем гидрофильных Р звеньев [6-9].

Оригинальный метод получения последовательностей, способных формировать водорастворимые глобулы, был предложен в работах [10-12]. На первом этапе процедуры из цепи гомополимера формируется плотная глобула. Затем осуществляется процедура «окраски», когда звенья, лежащие внутри глобулы, маркируются как Н-звенья, а звенья, лежащие на поверхности и контактирующие с растворителем - как Р-звенья. Полученная в результате «окраски» так называемая белковоподобная последовательность Н и Р звеньев фиксируется.

Компьютерное моделирование показало, что глобулы «белковоподобных» макромолекул действительно обладают меньшей способностью к агрегации, чем глобулы полимеров со случайным и случайно-блочным распределением звеньев по цепи, поскольку в этом случае все гидрофобные звенья оказываются собранными в единый кластер, окруженный петлями из гидрофильных мономеров. Однако такие глобулы не в полной мере защищены от агрегации: петли из гидрофильных звеньев, защищающие гидрофобное ядро глобулы, слишком разрежены, чтобы сформировать надежную защитную оболочку ядра (рис. 2). Таким образом, с помощью модели линейного сополимера из гидрофобных и гидрофильных звеньев не удалось в полной мере описать водорастворимые глобулы биологических и синтетических макромолекул [13,14].

Рис. 2. Мгновенный снимок белковоподобного сополимера из гидрофильных и гидрофобных звеньев [11].

1.1.2 Амфифильные на уровне отдельного звена макромолекулы. Классификация.

При более подробном рассмотрении структуры мономерных звеньев многих природных и синтетических полимеров видно, что они не являются полностью ни гидрофобными, ни гидрофильными (рис. 3). Такие звенья являются амфифильными, то есть содержат как гидрофобные, так и полярные группы. В качестве примеров можно привести поли-1-винилимидазол, поли-№-изопропилакриламид, поли-2-этилакриловую кислоту, лизин, глутаминовую кислоту. Амфифильность на уровне отдельного мономерного звена присуща также одиночной нити ДНК [15].

СН^ СН;

с = о 1 сн2

ын 1 ЧСН2— с ^

СН 1 СООН

(а) (б) (в) (г) (д)

0 о

1 II ЧС— СН— Ш^п —^ с — СН — МН^-н

/7 7"' 1 I

N ын Чсн2_с^ СН2 СН2

сн2 сн2

— I I

Н,с СН, СООН сн2

I

сн2

I

хн2

Рис. 3. Амфифильные мономерные звенья синтетических и природных полимеров: (а) поли-1-винилимидазола, (б) поли-Ы-изопропилакриламида, (в) поли-2-этилакриловой кислоты, (г) полиглутаминовой кислоты, (д) полилизина.

Работа [16,17] посвящена экспериментальному исследованию термодинамических свойств амфифильных мономерных звеньев, встречающихся в синтетических и природных полимерах. В первой части работы ([16]) были исследованы термодинамические свойства звеньев синтетических полимеров: 1ЧГ-изопропилакриламида, 1-винилимидазола, Ы-винилпирролидона, 1чГ-винилкапролактама. При помощи измерения равновесных концентраций в двухфазной системе была получена стандартная свободная энергия разделения между двумя фазами А/ , а при помощи измерения поверхностного натяжения -

стандартная свободная энергия адсорбции на межфазной границе Д/аЛ. Было

обнаружено, что для всех веществ сродство к водной фазе уменьшается с ростом температуры, так как гидрофобные взаимодействия, имеющие энтропийную природу, увеличиваются с ростом температуры. Сродство к межфазной границе менялось для исследованных веществ различным образом. На основании полученных данных была предложена двумерная диаграмма, на которой по оси абсцисс откладывается А/ ,, возрастающая по мере увеличения гидрофильности, а

по оси ординат откладывается Д/аЛ. Положение вещества на этой диаграмме позволяет определить его поведение в полимерной системе. Вещества, для которых Д/(нЛ > |д//;ш.,|, будут стремиться расположиться на границе раздела, а те, для

которых Д/иЛ<|д/'/,ы„|, будут стремиться находиться внутри соответствующей фазы.

Во второй части работы [17] были проведены экспериментальные исследования тех же параметров для соединений, моделирующих аминокислотные остатки: триптофан, фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин, валин, аланин, глицин. Экспериментально полученные значения А/раг1 и Д/яЛ сравнивались с

предсказанными теорией А. А. Аскадского [18,19]. Для всех экспериментально исследованных образцов совпадение экспериментальных и теоретических значений было очень хорошим, за исключением валина, для которого различие между экспериментальным и теоретическим значением поверхностной активности было немного больше.

о-

1еи

Уа1 Ме*-^ 417

-8

-4

О

4

8

Рис. 4. Двумерная диаграмма «гидрофильность - поверхностная активность» для соединений, моделирующих аминокислотные остатки [17].

Пользуясь тем, что теория Аскадского показала прекрасные результаты, были рассчитаны теоретические значения &/раг, и Д/аЛ для лизина, цистеина, аргинина,

тирозина, и других аминокислотных остатков. После расположения экспериментально и теоретически исследованных остатков на диаграмме, были выделены 6 групп веществ, среди которых выделяются группа лизина, цистеина и тирозина, характеризующаяся высокой поверхностной активностью, и аргинин, который отличают как высокая поверхностная активность, так и высокая гидрофильность (рис. 4).

Таким образом, было показано, что многие звенья, входящие в состав биологических макромолекул, нельзя однозначно отнести к гидрофобным или гидрофильным. Для моделирования макромолекул, содержащих такие звенья, потребовалась разработка новых подходов.

1.1.3 Амфифильные на уровне отдельного звена макромолекулы. Модель «гантелек».

Теоретическая модель амфифильного звена, учитывающая его дуалистическую природу, была предложена в работе [20]. Звено представляет собой «гантель», на одном конце которой находится гидрофобная частица, а на другом — гидрофильная (рис. 5). Гидрофобные частицы объединены ковалентными связями в полимерную цепь, а движение гидрофильных «привесков» ограничивается только связью с соответствующим гидрофобным звеном.

Рис. 5. Модель амфифильного звена.

Проведенные в работах [20-21] исследования конформационных свойств отдельных макромолекул показали, что такая несложная модификация модели приводит к результатам, значительно отличающимся от предсказываемых НР-моделью, особенно в глобулярном состоянии. Прежде всего, это вытянутая форма глобул, характеризующаяся высоким показателем скейлинговой зависимости среднеквадратичного радиуса инерции от степени полимеризации. Было показано, что при больших степенях полимеризации в процессе компактизации глобулы молекула формирует последовательность ожерельеподобных конформаций, затем принимает вид червеобразного объекта, и в итоге формирует цилиндрическую глобулу. Кроме того, при малом параметре сегрегации гидрофобных и гидрофильных звеньев в определенном диапазоне значений качества растворителя наблюдалось образование дискообразных глобул. Как следствие изменения формы глобулы, наблюдалась немонотонная зависимость радиуса инерции глобулы от качества растворителя [20].

В дальнейшем идеи конформационно-зависимого синтеза были применены к математическому моделированию полимеров, содержащих амфифильные звенья [21]. Так же, как в работах [10-12], из цепи гомополимера формировалась плотная глобула путем введения притяжения между мономерными звеньями, а затем внешние звенья модифицировались. В отличие от линейной НР-модели, мономеры после модификации превращались не в гидрофильные «Р», а в амфифильные «А», то есть, к гидрофобному звену основной цепи пришивался гидрофильный привесок (рис. 6а). Таким образом, после модификации макромолекула представляла собой сополимер из гидрофобных и амфифильных звеньев с белковоподобной

статистикой распределения. Расчеты показали, что в отличие от регулярного сополимера из гидрофобных и амфифильных звеньев глобулы белковоподобного сополимера имеют сферическую форму вне зависимости от длины цепи (рис. 66). В концентрированных растворах полимеры с белков оп од обн ой статистикой распределения показали значительно большую устойчивость к агрегации при любом качестве растворителя по сравнению с регулярными сополимерами.

(а) (б)

Рис. 6. Модель сополимера из гидрофильных и амфифильных звеньев (а), глобула сополимера из гидрофильных и амфифильных звеньев в плохом растворителе (б) [22].

Отметим, что глобулы достаточно длинных регулярных НА сополимеров имели продолговатую форму.

В работе [23] исследовался переход клубок-глобула в сополимере из гидрофильных и амфифильных звеньев. Такая модель отдаленно напоминает строение белков, если предположить, что амфифильные группы соответствуют гидрофильным аминокислотным остаткам, а гидрофильные группы в основной цепи — группам атомов поляризованных пептидных связей. Были исследованы макромолекулы со степенью полимеризации N=128 и N=256. Параметр качества растворителя менялся двумя способами: постепенным уменьшением с шагом 0.5 и последующей релаксацией в течение достаточного времени (режим «медленного охлаждения»), и скачкообразно, с шагом 2.0, также с последующей релаксацией (режим «быстрого охлаждения»).

Было показано, что при медленном охлаждении цепь коллапсирует в глобулу через

последовательность ожерельеподобных конформаций. Радиус инерции цепи при этом меняется ступенчато, уменьшаясь с уменьшением числа блобов на 1. В итоге формируется глобула цилиндрической формы, характерная для полимеров с амфифильными звеньями.

При быстром охлаждении формировалась глобула более вытянутой формы, в которой прослеживалось образование вторичной спиральной структуры. При этом энергия глобулы была выше, чем у глобулы, сформированной при медленном охлаждении. Это означает, что при быстром охлаждении молекула попадала в локальный минимум потенциальной энергии. Тем не менее, авторы [23] показали, что такое состояние является стабильным.

В работе [24] было показано, что внутренняя структура глобул, образованных НА макромолекулами, существенно зависит от радиуса действия потенциала взаимодействий. В случае дальнодействующего потенциала глобула имеет блобную структуру, если потенциал короткодействующий - формируется квазиспиральная структура, где остов макромолекулы образует витки спирали, направление закрутки которых может меняться от витка к витку. Детальный визуальный анализ глобулы показал, что в основной цепи образуется зигзагообразный порядок упаковки звеньев, при котором гидрофобные звенья находятся внутри глобулы, а гидрофильные звенья имеют наибольшую поверхность контакта с растворителем. Для того, чтобы характеризовать выраженность вторичной спиральной структуры в глобуле, авторы [23,24]ввели спиральный параметр, представляющий собой модуль суммы векторных произведений последовательных по цепи векторов связи:

Д'-1

(»7) = Х[й"й.-1]

/=1

Было показано, что значение параметра (//) в клубке близко к нулю, а в

глобуле значительно отличается от нуля и зависит от радиуса действия потенциала. гс, (см. рис. 76), что позволяет говорить о наличии в глобуле вторичной спиральной структуры. При этом среднее значение спирального параметра не дрейфует с течением времени, что свидетельствует о стабильности спиральной конформации. Число звеньев на виток спирали в глобуле составило от 3 до 5, что, по-видимому, определяется стерическими ограничениями. Отметим, что направление закрутки

спирали в таких НА цепях формируется спонтанно, оно изменяется вдоль цепи и в этом случае можно говорить только о том, что специфичность последовательности и наличие в цепи чередования Н и А групп является фактором, способствующим спирализации макромолекулы.

(а) (б)

1п1 16 -

12 - / \ 8 - / \

_I_I_I_I_I_

2 3 4 гс

Рис. 7. Мгновенный снимок глобулы НА макромолекулы и зависимость параметра спиральности от радиуса действия потенциала [24].

1.1.4 Жесткоцепные амфифильные макромолекулы

Известно, что конформационные свойства жесткоцепных макромолекул существенно отличаются от свойств гибких макромолекул [25]. Так, чем жестче макромолекула (выше длина сегмента Куна), тем резче происходит переход клубок-глобула. В случае достаточно жестких цепей он является фазовым переходом первого рода [25]. Другой особенностью жестких цепей является формирование тороидальных структур. Впервые тороидальные глобулы были обнаружены при исследовании макромолекул ДНК [26]. Качественное объяснение стабильности тороидальных структур было дано в работах [27-29] и в общих чертах может быть изложено следующим образом: при формировании тороидальных структур достигается высокая плотность звеньев и относительно небольшая площадь контакта звеньев ДНК с конденсирующим агентом, что выгодно с энергетической точки зрения. С другой стороны, ясно, что потери в упругой энергии при образовании тороидальной структуры меньше, чем при формировании сферической глобулы с такой же плотностью звеньев.

16

V

b

' Г" t *\ 1 l-1-I l

0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.60 0.65 0 90

1/T

Рис. 8. Диаграмма состояний полугибкой цепи длиной N=256 в координатах жесткость (Ъ) - обратная температура. Конформации: I - клубок, II - жидкая глобула, III - твердая глобула, IV - стержнеобразная, V - тороидальная. Плотность штриховки отражает значение параметра нематического порядка в глобулах [35].

Исследования жесткоцепных гомогенных макромолекул методами компьютерного эксперимента [30-35] показали, что тороидальная глобула является промежуточным состоянием между клубком и сферической глобулой, а область существования тороидальной глобулы зависит как от жесткости, так и от контурной длины макромолекулы. Теоретическая модель явления и экспериментальное подтверждение представлены в работе [36].

Исследования жестких макромолекул с амфифильными мономерными звеньями проводились авторами работ [37-39]. Исследовалась модель «гантелек» с предпочтительным углом изгиба основной цепи 170°, значение которого фиксировалось введением дополнительного потенциала на угол изгиба основной цепи:

где в- значение угла изгиба, в0- равновесное значение валентного угла, сомножитель, определяющий жесткость фиксации угла изгиба. Варьируя множитель потенциала, длину сегмента Куна меняли в пределах от 2,9 до 29,2 длин связи. Было показано, что притяжение, соответствующее переходу «клубок-глобула», растет с увеличением жесткости цепи, в согласии с общеизвестными данными.

и{е) = ев{в-в 0)

Выяснилось, что гибкие амфифильные цепи формируют цилиндрические глобулы из блобов, причем участки цепи, принадлежащие различным блобам, практически не пересекаются. При увеличении жесткости цепи число блобов мотононно убывает, а цепь в «блобах» приобретает упорядочение: не только несколько раз складывается, но и её отдельные ветви переплетаются между собой. Такой тип упорядочения был назван авторами работы коллагеноподобным. При относительно больших жесткостях макромолекула состоит из одного «блоба», в котором цепь наматывается сама на себя, формируя стержнеобразную или тороидальную коллагеноподобную глобулу (см. рис. 9). При этом тип формируемой глобулы, по-видимому, определяется кинетическими причинами. В работе [39] были построены фазовые диаграммы состояний для жесткоцепных амфифильных макромолекул с низкой молекулярной массой (N=64), и высокой молекулярной массой (N=256) в переменных «качество растворителя — длина сегмента Куна» (рис. 10). Также был исследован переход «клубок — глобула» для макромолекул со 128 амфифильными звеньями.

Было обнаружено, что при N=64 и небольших длинах сегмента Куна при ухудшении качества растворителя, молекула коллапсирует в сферическую глобулу, проходя через конформацию «бусинок на цепи». Сферическая форма глобулы реализуется вследствие небольшой длины цепи, при которой все гидрофобные звенья могут быть упакованы в единственное ядро. При больших значениях длины сегмента Куна переход «клубок — глобула» происходит через коллагеноподобную конформацию, глобула также является сферической. При этом области коллагеноподобных структур и сферических глобул смещаются в сторону плохого растворителя с увеличением жесткости цепи. Для цепей с N=128 наблюдался коллапс в коллагеноподобную глобулу, а также тонкую дискообразную глобулу, что наблюдалось только для этой длины цепи.

Гибкоцепные молекулы с длиной цепи N=256 при ухудшении качества растворителя формировали мицеллярную структуру со сферическими блобами, а при дальнейшем ухудшении качества растворителя — цилиндрическую глобулу с неупорядоченными блобами.

(а)

(б)

(в)

(г)

¿яршШ -ад * Ь«Ч '»Ч

' 1 ' 'I ^ \, V / 1 ' г • < Л \

•,у'у«1''.;.ч»с

III»4

рч

(д)

Рис. 9 (а) — цилиндрическая глобула с неупорядоченными блобами, (б) — цилиндрическая глобула с коллагеноподобными блобами, (в) — коллагеноподобная глобула, (г) — тороидальная глобула, (д) — дискообразная глобула [39].

При увеличении жесткости цепи формировались, соответственно, коллагеноподобные мицеллы, и глобула с коллагеноподобными блобами. Жесткоцепные молекулы с длиной цепи N=256 формировали, приблизительно с равной вероятностью, коллагеноподобные и тороидальные глобулы.

(а)

(б)

-е,

35

25

15

нн

******

/ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

2.5

4.5

6.5 енн

Рис. 10. (а) фазовая диаграмма амифифильной макромолекулы с высокой молекулярной массой (N=256): 1 — область клубков, 2 — область конформаций типа «бусинки на цепи», 2' — со сферическими и 2" — коллагеноподобными бусинками на цепи, 3 — цилиндрические глобулы с 3' — неупорядоченными и 3" — коллагеноподобными блобами, 4 — область сосуществования коллагеноподобных и тороидальных структур; (б) фазовая диаграмма амфифильной макромолекулы с низкой молекулярной массой (N=64): 1 — область клубков, 2 — конформация «бусинки на цепи» со сферическими блобами, 3 — коллагеноподобная глобула, 4 — сферическая глобула. Рисунки из [39].

В работе [40] были построены теоретические фазовые диаграммы амфифильных макромолекул в зависимости от интенсивности притяжения гидрофильных групп к растворителю, взаимного притяжения гидрофобных групп, длины и жесткости цепи. Свободная энергия систем рассчитывалась с учетом вкладов от притяжения гидрофобных групп, энергии взаимодействия гидрофильных групп с растворителем, конформационной энтропии основной цепи и ориентационной энтропии амфифильных мономерных звеньев на поверхности глобулы. Полученные диаграммы подтвердили результаты работ [20-21] по моделированию перехода клубок-глобула в гибкоцепных амфифильных макромолекулах. Вместе с тем, фазовые диаграммы, полученные для полужестких и жесткоцепных макромолекул (рис. 11), отличаются от результатов компьютерного моделирования [39].

Рис. 11. Фазовая диаграмма амфифильных макромолекул в зависимости от энергии взаимодействия полярных звеньев с растворителем |еР| и жесткости цепи ^а/у|/3 [40].

По-видимому, разница между предсказаниями теории и компьютерным моделированием является следствием большого числа приближений, допускаемых при теоретическом анализе, в частности, пренебрежения эффектом микросегрегации в глобулах. Вместе с тем, теоретическое рассмотрение даже без учета микроструктуры глобул также как и результаты компьютерного моделирования показывает, что учет амфифильной природы мономерного звена приводит к изменению фазовых диаграмм по сравнению со случаем гомополимерных жесткоцепных макромолекул.

1.2 Межмолекулярные комплексы амфифильных макромолекул в растворах.

Поведение жесткоцепных амфифильных макромолекул в концентрированных растворах при ухудшении качества растворителя было исследовано в работе [41]. При повышении концентрации заранее сформированных глобул в растворе при плохом качестве растворителя агрегация глобул не происходит независимо от жесткости основной цепи. Если же концентрированный раствор макромолекул приготовлен в хорошем растворителе, а затем качество растворителя ухудшается, способность макромолекул к агрегации зависит от жесткости основной цепи (см. рис. 12). Макромолекулы с гибкой основной цепью формировали отдельные глобулы (рис. 12а), в то время как жесткоцепные макромолекулы формировали жгуты из нескольких взаимно переплетенных цепей (рис. 126,в). Количество цепей в сечении жгута зависело от жесткости цепи и могло меняться вдоль жгута.

(а) (б) (в)

Рис. 12. Концентрированный раствор жесткоцепных амфифильных макромолекул. Гибкие (а), полужесткие (б), жесткие (в) цепи. Иллюстрация из [41].

В качестве аналогов таких амфифильных макромолекул в работе [41] было предложено рассматривать макромолекулы с фениленовой основной цепью и различными заместителями. Отметим, что в работе [42] показано, что эти макромолекулы являются синтетическими аналогами природных жесткоцепных полимеров.

Об экспериментальном наблюдении эффектов самоорганизации в растворах поли(/?а/?а-фенилена) сообщалось в серии публикаций, посвященных исследованию растворов модифицированных поли(яара-фениленов), таких как сульфированные поли(яаря-фенилены) [43-45], додецилзамещенный поли(яо/?а-фенилен)сульфат [45,46], катионный поли(ия/?а-фенилен) с перфтор-1 -октан сульфонатом тетраэтиламмония [47], поли(натрий-ла/?а-фениленсульфат) [48]. В таких макромолекулах остов цепи, образованный из колец фенилена, обладает весьма высокой жесткостью. К каждому звену остова пришиты либо гидрофобные алифатические группы, либо сульфированные группы, приобретающие в водных растворах заряд и обеспечивающие общую растворимость макромолекул. Вследствие такого сложного строения жесткоцепные макромолекулы поли(пара-фениленов) самоорганизуются в растворах в цилиндрические мицеллы, состоящие из нескольких макромолекул. Гидрофобные группы содержатся во внутренней части таких мицелл, а на поверхности располагаются заряженные группы, обеспечивающие растворимость и стабильность цилиндрических мицелл в широкой области концентраций. В зависимости от природы боковых цепей, природы и заряда контриона, ионной силы раствора количество макромолекул в поперечном сечении цилиндрической мицеллы может варьироваться от двух до

нескольких десятков макромолекул и изменяться вдоль оси мицеллы, а длина мицелл может быть равна длине нескольких одиночных макромолекул. При определенных условиях мицеллы могут образовывать лиотропные жидкокристаллические фазы [47].

Свойства более гибких мета поли(фениленэтинеленов) (ПФЭ) с боковыми алкильными группами и без них изучались в работах [49,50]. Показано, что ПФЭ без алкильных боковых цепей в плохом (для фениленового остова) растворителе (90% Н20/ДМС0) образует одиночные глобулы, которые остаются растворимыми даже в достаточно концентрированном растворе (5000 мкг/мл) в течение нескольких месяцев, что обусловлено наличием групп 1ЧН3, привитых к фениленовым кольцам. Глобулы ПФЭ с алкильными боковыми группами агрегируют при гораздо более низких концентрациях полимера (50 мкг/мл), образуя протяженные линейные агрегаты, и через несколько дней осаждаются. В работе [51] были изучены макромолекулы жесткоцепного поли(у-бензил-Ь-глютамата) с привитыми боковыми цепями из ПЭГ в смесях тетраметилфурана и воды. При определенном составе растворителя, содержащем достаточное для набухания ПЭГ количество воды, такие макромолекулы также формируют фибриллярные агрегаты, в которых агрегаты жгуты из нескольких цепей соединяются в длинные нитевидные образования.

Компьютерное моделирование агрегатов, образующихся из макромолекул модифицированного сульфированного поли(/7<зра-фенилена), проводилось в серии работ [52-55]. В этих работах явным образом учитывались электростатические взаимодействия между заряженными группами и контрионами. Посредством вычисления времени жизни искусственно сформированных мицелл, в которых гидрофобные звенья формировали середину, а заряженные (обеспечивающие растворимость) звенья были вынесены на поверхность, была исследована термодинамическая стабильность мицелл в зависимости от агрегационного числа, гидрофобных взаимодействий, валентности контрионов.

Компьютерный эксперимент по изучению так называемых Т-образных макромолекул, в которых к среднему звену жесткого сольвофобного остова пришита гибкая боковая цепь, имеющая высокое сродство к растворителю, описан в работе [56]. Было показано, что при ухудшении качества растворителя молекулы

формируют тонкие волокна из цилиндрических мицелл. Основные цепи макромолекул в них направлены вдоль оси цилиндра и смещены относительно друг друга так, чтобы обеспечить максимальную экспозицию сольвофильных групп в растворитель. Формирование нитевидных агрегатов из нескольких цепей, наблюдаемое в приведенных выше работах, может быть обусловлено как полидисперсностью макромолекул, так и неоднородностью прививки боковых цепей.

1.3. Макромолекулы с локальной спиральной структурой.

1.3.1. Вторичная спиральная структура в биологических макромолекулах

Многие цепи биополимеров образуют локально упорядоченные трехмерные структуры. Спираль - это наиболее простая конформация, которую может принять полимерная цепь с учетом ограничений, накладываемых пептидными связями. Спираль является единственно возможным видом симметричной трехмерной упорядоченной структуры для линейных полимеров, содержащих несимметричные звенья [14]. Основные спирали полипептидной цепи имеют винтовую ось симметрии, вокруг которой плотно обвита полимерная цепь, а аминокислотные остатки выступают наружу из «трубки», формируемой остовом. Полипептидные спирали держатся водородными связями, где С=0 группы остова полипептида связаны с лежащими от них в направлении С-конца цепи КН-группами. Атом О может быть связан с атомами Н различных ТЧН-групп, что приводит к образованию спиралей с различным числом атомов в витке: например, возможны спирали 27, Зю , 4]з (а), 516 (л), где число обозначает порядковый номер остатка, а нижний индекс -число атомов в цикле [13]. Среди этих типов спиралей наиболее часто встречается а-спираль. Её распространенность объясняется тем, что только правая а-спираль лежит достаточно глубоко внутри области разрешенных конформаций для аланина и других остатков Ь-аминокислот на карте Рамачандрана (рис. 13). Благодаря этому в правой а-спирали все атомы упакованы оптимально и без напряжений, и каждый виток связан с соседними тремя или четырьмя водородными связями. В фибриллярных белках правые а-спирали могут содержать сотни аминокислотных остатков. Чтобы формирование спирали было возможным, все аминокислотные остатки должны быть одной и той же хиральности, в случае природных

макромолекул это L-изомеры. L-изомеры могут формировать как левозакрученные, так и правозакрученные а-спирали [57].

+ 180 120

_ 60

со

I

| о

•V

* -60 -120 -180

-180 0 +180 Ф(degrees)

Рис. 13. Карта разрешенных и запрещенных состояний L-аланина. Синим показаны разрешенные конформации, голубым - разрешенные конформации с невыгодными межатомными контактами, светло-голубым - конформации, возможные при небольших отклонениях валентных углов [57].

Другим примером биологических макромолекул с хорошо определенной спиральной структурой являются цепи ДНК. Наряду с наиболее распространенной В-формой ДНК существуют А и Z формы, а также С-форма литиевой соли ДНК. А-ДНК, существующая только при пониженной влажности, отличается от В-ДНК увеличенным до 11-12 числом звеньев на виток. Таким образом, если сравнить участки цепей А-ДНК и В-ДНК с одинаковым числом аминокислотных остатков, «трубка», формируемая остовом В-ДНК будет толще, но короче вдоль оси спирали [58]. Путем уменьшения активности растворителя В-форму ДНК можно перевести в А-форму. Обе эти формы ДНК, а также С-форма литиевой соли ДНК, являются правыми спиралями с антипараллельной укладкой цепей [14]. При определенных условиях участки ДНК, для которых характерно чередование пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, принимают форму левой спирали. При этом увеличивается расстояние между соседними парами оснований и число пар на один виток. Такая форма получила название Z-ДНК, так как ее остов имеет зигзагообразный вид [58].

Гомополинуклеотиды также могут образовывать двойные или множественные спирали с параллельными цепями, в которых не происходит уотсон-криковское спаривание оснований. Так, двойные спирали образуются протонированным

полиаланином и частично протонированным полицистеином, в то время как полиизолейцин формирует тройную спираль. Известно и множество других трехцепочечных структур, в которых дополнительная цепь образует пары оснований с одной или двумя обычными цепями антипараллельной уотсон-криковской спирали [14].

Многие природные полисахариды, такие как каррагинан, ксилан, гиалуроновая кислота, также образуют спирали. Так, каррагинаны образуют двойные спирали, ксилан формирует трехцепочечную спираль, у которой все три цепи параллельны, а гиалуроновая кислота образует волокна из параллельно уложенных спиралей. Соседние спирали в волокне гиалуроновой кислоты соединены солевыми мостиками и водородными связями [14].

Спиральная укладка цепи характерна также и для многих синтетических полимеров. В последние годы активно идет исследование систем с управляемой хиральностью. Так, в работе [59] было показано, что при рН<7 короткие (из 16 мономерных единиц) фрагменты амилозы формируют супрамолекулярные комплексы с цепями олигосилана. Фрагменты амилозы формируют левозакрученные спирали, которые обвиты вокруг цепи олигосилана. Олигосилан также находится в закрученной конформации.

В работе [60] было показано, что физические факторы могут управлять не только переключением между хиральной и ахиральной конформацией полимера, но также и направлением закрутки цепей. Исследования комплексообразования поли[(4-карбоксифенил)ацетилена] с хиральным (КД)-Тч[,]ЧГ'-бис(1-фенилэтил)-2,4,6-трифенилбензамидином показали, что хиральность комплексов обратимо меняется на противоположную при нагревании от 20 до 40°С. Путем замены хирального комплексообразователя на нехиральный можно зафиксировать направление закрутки цепей полимера.

В работе [61] сообщается о синтезе гидрогеля на основе полиизоцианопептида, с боковыми цепями олигоэтиленгликоля. Свойства таких гелей соответствуют гелям на основе промежуточных филаментов, однако, в отличие от последних, могут сравнительно легко быть химически модифицированы. Основная цепь полиизоцианопептида имеет спиральную конформацию, стабилизированную водородными связями. При нагревании из раствора таких макромолекул

формируется гель. Волокна, образующие гель, состоят в среднем из 7 полимерных цепей. Переход золь-гель является полностью обратимым.

1.3.2. Теоретические модели макромолекул с локальной спиральной структурой. Модели макромолекул с потенциалами углов вращения.

Теоретически локальный спиральный порядок макромолекулы можно описать одновременным введением ограничений на углы изгиба и вращения.

Углом изгиба в полимерной цепи называется угол между двумя последовательными по цепи векторами связи звеньев. Угол между плоскостью, образованной /-м и /+ 7-м векторами связи и плоскостью, образованной г-7-м и 1-м векторами связи, называется углом внутреннего вращения (рис. 14). Простейшая теоретическая модель полимера - модель свободно-сочлененной цепи -предполагает, что угол изгиба и угол внутреннего вращения могут свободно принимать любое возможное значение [62]. Несмотря на кажущуюся простоту, такая модель предсказывает большинство особенностей, присущих полимерным системам, и многие характеристики полимеров, обладающих другими механизмами гибкости цепи, можно выразить в терминах свободно-сочлененной модели.

Однако в реальных макромолекулах углы между звеньями основной цепи фиксированы и повороты не свободны. Это связано, во-первых, со строением атома углерода, и, во-вторых, со стерическими ограничениями, накладываемыми атомами цепи и боковых групп. Например, характерные значения угла между связями в

2 3

атоме углерода составляют 120° для эр -гибридизованных атомов, и 109° для эр -гибридизации.

Рассмотрим зависимость энергии углеродной связи от угла поворота на примере

молекулы 1,2-дихлорэтана [63]. Энергия молекулы дихлорэтана изменяется в зависимости от взаимного расположения хлора и водорода относительно связи С-С. В соответствии со значениями этой энергии может быть выделено несколько конформаций. Наиболее энергетически невыгодна гумс-конформация, вследствие взаимного отталкивания находящихся на минимальном расстоянии друг от друга атомов хлора. Наиболее устойчива трагнс-конформация. Две другие конформации, характеризующиеся минимумами на кривой зависимости потенциальной энергии молекулы от угла поворота, и имеющие углы поворота 120° и 240°, называются гош-конформациями.

Рассмотренная на примере 1,2-дихлорэтана зависимость сохраняется и при переходе к полимерам. Для молекулы поливинилхлорида, на участке, где элементарные звенья соединены «хвост к хвосту», и два соседних атома С имеют в качестве заместителей атомы С1, изменение потенциальной энергии при вращении будет почти таким же, как и в случае дихлорэтана. В целом, зависимость энергии связи от угла поворота, обладающая транс- и гош-минимумами, является типичной для полимерной цепи [62].

Для цепи с симметричным потенциалом угла внутреннего вращения строгий расчет среднеквадратичного расстояния между концами цепи приводит к формуле Ока [64]:

где N - число звеньев в цепи, 1 - длина мономерного звена, в - угол изгиба цепи, г\ -среднее значение косинуса угла внутреннего вращения.

Предложенная в 1951 году поворотно-изомерная теория рассматривает макромолекулу как равновесную смесь поворотных изомеров, а «перескок» из одного минимума в другой - как поворотную изомеризацию. Поворотно-изомерная теория хорошо обоснована для тех случаев, когда минимумы энергии разделены энергетическими барьерами, существенно превышающими кТ. В этом случае можно считать, что угол внутреннего вращения принимает дискретный набор значений. Используя распределение Больцмана, можно рассчитать среднее значение т] косинуса угла внутреннего вращения. Для случая, когда 11(0о)=0,

Щ120°) = 11(240°) =ЛЕ:

1-ехр (-АЕ/кТ) 71 ~ 1 + 2ехр(-А Е/кТ)

при ЛЕ=600 кал/моль, Т= 0°С, получим г/ =0,37.

Подставляя в формулу Ока, получаем (&?) = 1,1М2. Таким образом, наличие

ограничений на угол внутреннего вращения приводит к увеличению жесткости цепи.

Если различные изомеры имеют различные энергии (к примеру, и(120°)<и(240°)), то происходит локальное упорядочение и формирование локальной спиральной структуры. Ясно, что в сложных макромолекулах, обладающих локальным спиральным порядком, ограничения на угол вращения и на угол изгиба определяются комплексом самых различных взаимодействий, но теоретически при построении простейших моделей таких макромолекул, как правило, ограничиваются введением потенциалов, фиксирующих значения углов вращения и изгиба определенными значениями.

В работе [65] методом математического эксперимента были исследованы макромолекулы с локальной спиральной структурой и показано, что компакгизация таких макромолекул обладает рядом особенностей, к примеру, в плохом растворителе такие макромолекулы могут формировать «шпилькообразные» структуры.

Исследованию макромолекул амфифильных на уровне отдельного звена и с фиксированными углами вращения и изгиба основной цепи посвящен раздел 3 данной диссертации.

1.4 Полимерные щетки

Полимерные щетки - это совокупность макромолекул, пришитых одним концом к поверхности. В хорошем растворителе такие макромолекулы набухают, максимально экспонируясь в растворитель, и создают вокруг поверхности однородный защитный слой, в плохом - агрегируют в мицеллы, пришитые к поверхности. Расположение мицелл на поверхности существенным образом зависит от распределения точек пришивки. Если концевые группы привиты регулярно, мицеллы формируют на поверхности регулярный хорошо определенный рисунок.

Создание полимерной щетки является одним из методов модификации поверхности, особенно полезным, если в ходе функционирования системы необходимо изменить свойства поверхности. В этих случаях используют полимерные щетки из термочувствительных полимеров на основе акриламидов таких, к примеру, как поли(7У-изопропилакриламид). При изменении температуры эти щетки претерпевают переход из состояния гомогенного полимерного слоя, в котором все макромолекулы слоя вытянуты и максимально экспонированы в растворитель (режим «щетки»), в состояние, когда цепи объединяются в грибообразные мицеллы, особенным образом распределенные по поверхности (режим «мицелл-грибов»). Этот переход происходит в узком температурном интервале, что позволяет эффективно управлять свойствами поверхности, к примеру, «включать» и «выключать» адсорбцию [66,67].

При создании поверхностей с управляемыми свойствами - так называемых умных поверхностей - эффективно использовать многокомпонентные щетки, в которых различные макромолекулы привиты к поверхности или сами привитые макромолекулы состоят из звеньев с различным сродством к растворителю.

Простейшим примером таких щеток являются щетки АВ диблок-сополимеров. В работах [68-70] была разработана методика синтеза пришитого к кремниевой подложке диблок-сополимера. Сначала проводилась катионная полимеризация стирола с помощью фиксированного на кремниевой подложке карбкатиона. Затем при помощи метода АТКР на цепочках полистирола синтезировались внешние блоки, которые могли состоять из полиметакрилата, либо полиметилметакрилата, либо поли(К,]ЧГ-диметиламино)этил метакрилата. Щетки диблок-сополимсра затем обрабатывались СН2С12 и циклогексаном. Полученные поверхности исследовались при помощи атомно-силовой микроскопии, а также измерения углов смачивания. Были получены поверхности с «червеобразным», рельефом, рельефом из неровностей полусферической формы и т. д. Показано, что форму рельефа поверхности можно менять, плавно изменяя качество растворителя для внешнего ПММА блока. В работе [71] сообщается о синтезе щеток с широким спектром различных полимеров в качестве внешнего блока. Также исследована динамика перераспределения блоков сополимера при изменении качества растворителя.

(а)

(б)

50

Ч О- 1 V

V -- <

- V ^

Рис. 15. Микроструктура на поверхности диблоксополимерной щетки из диблок-сополимера ПС-блок-ПМА после обработки циклогексаном (а) и после последовательного увеличения доли циклогексана в растворителе (б) [69].

Размер неоднородностей, возникающих при сегрегации блоков, зависит от подвижности точек сшивки блоков. Уменьшить подвижность точек сшивки можно, например, используя полимер типа «бутылочной щетки» в качестве внутреннего блока. В качестве такого полимера может использоваться поли(этиленгликоль)метакрилат (ПОЭГМА). Работа [72] описывает синтез щеток с различной толщиной внешнего слоя ПММА. После обработки водой, которая является плохим растворителем для ПММА, но хорошим для ПОЭГМА, внешние блоки ПММА формировали наноструктуры на поверхности слоя внутренних блоков. Характер формирующейся микроструктуры зависел от толщины внешнего слоя ПММА. Были получены образцы пленок со сферическими, червеобразными агрегатами, а также со сплошным слоем ПММА на поверхности. Слой со сферическими агрегатами можно вернуть в состояние однородного бислоя с помощью обработки растворителем, хорошим для внешнего блока. Было продемонстрировано, что такой переход является обратимым. Также были получены образцы, в которых внешний блок формирует структуру типа «перфорированный слой». Переход из этого состояния в состояние «червеобразных» мицелл также является обратимым.

Рис. 16. Изображения диблоксополимерной щетки ПОЭГМА-блок-ПММА, полученные при помощи атомно-силовой микроскопии. Блоки ПММА образуют сферические мицеллы (а), червеобразные мицеллы (б), ламели (в), и перфорированный слой (г) [72].

Альтернативный подход к управлению морфологией щетки состоит в изменении плотности пришивки внешних блоков. Управлять плотностью пришивки можно, например, регулируя кристаллизацию ПЭО в диблок-сополимере из полистирола и ПЭО [73]. В такой системе щетка формируется на поверхности кристалла ПЭО. Плотность пришивки полимера в таком случае зависит от толщины кристалла. Была продемонстрирована возможность перехода между цилиндрической и ламеллярной фазой в зависимости от режима тепловой обработки образца. Используя полимеризацию с помощью фотоактивного вещества можно создавать диблоксополимерные щетки, в которых разные блоки обладают чувствительностью к разным параметрам среды. Авторами работы [74] была синтезирована щетка, внутренний блок которой состоял из поли(метакриловой кислоты), а внешний блок - из поли(>1-изопропилакриламида). Таким образом, внутренний блок обладал чувствительностью к кислотности среды, а внешний блок являлся термочувствительным.

Рис. 17. Поверхность щетки из П2ВП-блок-ПАА после обработки растворителями с разным значением рН: рН=1.5 (а), 5.6 (б) и 11 (в). Иллюстрация из [75].

Щетки, состоящие из полиамфолита, такого как поли(2-винилпиридин)-блок-полиакриламид (П2ВП-блок-ПАА), обладают чувствительностью к показателю кислотности среды. В таких щетках к подложке может быть пришит либо блок П2ВП, либо блок ПАА. При средних значениях рН блоки образовывали полиэлектролитные комплексы. В других случаях наблюдаемые структуры зависели от последовательности блоков, а также их относительной длины. Полученные щетки не формировали регулярный узор на поверхности, однако размер неровностей можно было менять, обрабатывая поверхность растворителями с разным рН [75-76].

В работах [77-78] исследовалось поведение пришитого к подложке диблок-сополимера с внутренним блоком из полистирола и внешним блоком из полиметилметакрилата. Для повышения контрастности изображения использовался проявитель, а для исследования внутренней структуры пленок - ренгеновское рассеяние. Авторам удалось получить экспериментальное подтверждение существования микрофазного расслоения в виде гексагонально упорядоченных мицелл, ламелей, а также мицелл, покрытых слоем полимера из внутреннего блока. Проведенные экспериментальные, компьютерные и теоретические исследования показали, что в АВ сополимерных щетках могут формироваться новые, отличные от случая гомополимерных щеток, весьма необычные структуры. Свойства этих структур зависят как от плотности пришивки полимерных цепей к поверхности,

так и от относительной длины каждого из блоков и от взаимодействия каждого из блоков с растворителем и друг с другом.

К примеру, если плотность пришивки не велика, компоненты АВ совместимы друг с другом, и растворитель является плохим для обоих компонентов, то формируются структуры с сердцевиной из менее растворимого блока, форма которых определяется относительной длиной блоков. В работе [79] были выделены два типа структур: мицеллы, в которых сферическое ядро менее растворимого блока покрывается сферической оболочкой более растворимого блока, такие мицеллы авторы назвали лукообразными; мицеллы, состоящие из нескольких ядер, равномерно покрытых слоем более растворимого блока, они получили название чеснокообразных.

Если растворитель плохой для блока, непосредственно привитого к поверхности, и хороший для внешнего блока, то формируются мицеллы со структурой типа «цветок» из нескольких цепей с гидрофобным ядром и гидрофильными лепестками, экспонированными в растворитель [80].

Если один из блоков имеет предпочтительное взаимодействие с растворителем, то щетка самоорганизуется таким образом, чтобы более растворимый блок имел больший контакт с растворителем [81].

Если растворитель хороший для внутреннего, привитого к поверхности блока, и плохой для внешнего, то внутренние блоки оказываются экспонированными в растворитель, а внешние формируют структуру, морфология которой зависит от плотности пришивки и длины блока. Вычисления показали, что по мере увеличения плотности пришивки и длины макромолекул может наблюдаться серия переходов сферические мицеллы-нити-перфорированные ламели и, наконец, вся внешняя поверхность может быть покрыта сплошным слоем сополимера [82-84]. В работе [85] методом Монте-Карло были изучены плотные щетки диблок-сополимеров в зависимости от параметра несовместимости блоков. Было показано, что в таких системах перпендикулярно поверхности пришивки происходит микрофазно расслоение - формируется структура из трех слоев с различным содержанием А и В мономерных звеньев. Параллельно плоскости прививки эти фазы однородны.

Теория диблоксополимерных щеток, оба блока которой хорошо растворимы, была

предложена в работе [86]. Было показано, что структура щетки в этом случае определяется параметром несовместимости между блоками. Если они не совместимы, то происходит сегрегация блоков, так что звенья внешнего блока выталкиваются из внутренней области. Чем больше параметр несовместимости, тем больше толщина слоя, в котором отсутствуют звенья внешнего блока. В случае сильной несовместимости блоки почти полностью разделяются, в некотором смысле возникает новая поверхность, она проходит по границе сшивания блоков и ее вполне можно рассматривать как поверхность прививки внешних блоков. В данной работе рассмотрены диблоксополимерные щетки, привитые к плоской поверхности. Был изучен случай, когда блоки А и В были абсолютно несовместимы, внутренний блок А был сольвофобен, а совместимость внешнего блока В могла варьироваться в ходе эксперимента. Результаты представлены в 3 главе данной диссертации.

2. Самоорганизация макромолекул с локальной спиральной структурой в разбавленных и концентрированных растворах. 2.1 Модель и техника эксперимента 2.1.1 Модель одиночной цепи

Модель амфифильного звена представлена на рис. 18а. Мономерное звено представляет собой «гантельку» из гидрофобной Н и гидрофильной (полярной) Р бусинок, каждая массой т= 1, соединенных жесткой связью фиксированной длины Ъ. Гантельки формируют амфифильную полимерную цепь длины N с основной цепью из гидрофобных бусинок Н и привесками из гидрофильных бусинок Р (длина связи между соседними по цепи бусинками также равна Ь). Кроме того, в соответствии с основной задачей данной работы, положение соседних по цепи гидрофобных бусинок Н фиксируется заданием предпочтительных значений угла в0 между соседними векторами связей и угла внутреннего вращения <р0, образованного тремя последовательными по цепи векторами связей (рис. 186). (а) (б)

(в)

Рис. 18. Модель амфифильного звена (а), угол изгиба 9 и угол внутреннего вращения (р полимерной цепи (б), цепь полимера из амфифильных звеньев (в).

Положение боковых гидрофильных звеньев относительно основной цепи произвольно (рис. 18в).

Конформационные свойства макромолекулы исследовались методом молекулярной динамики, посредством решения системы уравнений Ньютона [87]. Длина связи ¿=1 поддерживалась при помощи релаксационного алгоритма «Rattle» [88]. Несвязанные частицы, участвующие во взаимодействиях исключенного объема и в гидрофобно-гидрофильных взаимодействиях, определялись при помощи метода «лучей» («method of lights») [89].

Взаимодействия исключенного объема бусинок, не связанных между собой непосредственно связью Ъ, задавались потенциалом отталкивания типа Леннард-Джонса:

7 л12 ( л6

* -X-Kr0-r) (1)

и„ = 4е

а

г

V и У

где к(г) — ступенчатая функция (/г(г) = Г ^), г,, - расстояние между

[1 г > О

взаимодействующими центрами / и у, а гп = 21/6сг- радиус обрезки потенциала. В уравнении (1) параметр £ определяет силу взаимодействия и контролирует энергетическую шкалу, а величина а - характерные пространственные масштабы. Было положено сг = е = 1 для всех попарных взаимодействий, и все результаты, приведенные здесь, даны в терминах этих величин. В работе используется относительная шкала температур в единицах Т = е/кв, где кв - постоянная Больцмана.

Молекулы растворителя не были включены в расчеты явным образом, а представлены как континуальная среда. Для учета того, что система находится в контакте с термостатом, имеющим температуру Т, уравнения движения были дополнены членом, описывающим трение, а также слагаемым ланжевеновского нескоррелированного шума Я,, связанным с вязкостью растворителя через флуктуационно-диссипативную теорему:

(*„(<>)•*«,(')) = 2 г,*яге(0 (2)

<5(/) - дельта-функция Дирака, а = х,у,г, / = 1,...,М, М=2Ы - полное число частиц.

Параметр Г, зависит от поверхности данной частицы, доступной для растворителя. Для каждой из частиц системы выполняется расчет поверхности 5,, доступной для

растворителя. Г = Г0 • St / Smax, где Smax - максимальная доступная для растворителя поверхность частицы, а Г0- постоянная трения, равная 0.5 во всех проведенных экспериментах. Это слагаемое обеспечивает поддержание постоянной температуры [90].

Наводимые растворителем внутрицепные гидрофобно-гидрофильные взаимодействия описывались потенциалом типа потенциала Юкавы:

Кгс~гд) (3)

где гс - радиус обрезки потенциала, параметры еаЬ (= енн, еРР, еНР) задают взаимодействия между бусинками соответствующих типов.

В проведенных компьютерных экспериментах было положено еРР = 1, еНр = 0, значение параметра енн было меньше либо равно нулю £Нн < 0 и изменялось в ходе эксперимента. Не нулевое (положительное) значение параметра гРР означает, что группы Р отталкиваются, значение еНР = 0 - что между звеньями Н и Р нет никаких дополнительных взаимодействий (отталкивания или притяжения), кроме взаимодействий исключенного объема, задаваемых потенциалом (1). Изменение качества растворителя моделировалось посредством изменения параметра взаимодействия гидрофобных групп ( - 2.2 < еНн < 0): чем больше абсолютное значение | енн | > тем сильнее притягиваются группы Н и тем хуже эффективное качество растворителя.

Для фиксации предпочтительных значений угла изгиба цепи в0 и угла внутреннего вращения ср0 были введены потенциалы Uhend и Ulols [91,64]:

U bend =£U(COS6-COS60)2

(4)

U,o,s =-£„cos (tp-q>0)

где es, - энергетический параметр потенциалов, согласованно меняющийся для угла изгиба и угла внутреннего вращения цепи; в и <р- текущие значения угла изгиба и угла внутреннего вращения, а в0 и q>0 - их преимущественные значения. Величина es, определяет жесткость цепи (es, > 0 ): чем больше значение esh тем

иЛО = -

i.. \

г

\ с /

меньше флуктуации углов в и ср относительно их предпочтительных значений <90 и ср0. Угол внутреннего вращения ср отсчитывается от положения, соответствующего транс-конформации (см. рис. 186) и может изменяться в интервале (-л;л]. Положительные значения ср0 > 0 задают правозакрученные спирали, отрицательные <р0 < 0- левозакрученные. Угол изгиба в может изменяться в интервале (0;я]

2.1.2 Реализация потенциалов углов изгиба и внутреннего вращения

Численное интегрирование уравнений Ньютона проводилось при помощи скоростного алгоритма Верле [87], с учетом поправок к силам, действующим на атомы основной цепи. Для расчета сил, действующих на каждый из атомов, были рассчитаны градиенты потенциала по радиус-вектору каждого из атомов, при помощи разложения функции потенциала по косинусам (р [92].

Очевидно, что величина валентного угла зависит от пространственного расположения трех последовательно расположенных атомов основной цепи, а величина угла внутреннего вращения — от расположения четырех последовательных атомов. В дальнейших расчетах будем использовать следующие обозначения (рис. 19):

= г, - (5)

с„ =

где г, . радиус - вектор /-го атома основной цепи.

Рис. 19. Обозначения векторов углов вращения основной цепи макромолекулы

Выразим значения валентного угла и угла внутреннего вращения при помощи скалярных произведений векторов связи:

cos в, = С'-и

Т7Г (6)

С i-\j + \C I ,t С i-l,iC:,i + l

COS ft), = -^-:-:-:-;-грг- (7)

Для того, чтобы отличать правое и левое закручивание спирали (отрицательные и положительные значения угла Ф ), использовался специальный параметр:

а = ([<*,_! d,) (8)

Знак синуса торсионного угла принимался равным знаку этого параметра. Чтобы рассчитать силу, действующую на каждый из атомов, необходимо рассчитать изменение энергии при изменении положения этого атома:

^bond j = (в,) = -y-rU,ors (<p,) (9)

Для дальнейших расчетов воспользуемся следующей формулой:

= (ю)

для валентных углов, и

для углов внутреннего вращения.

Используя формулы для результата действия оператора V на скалярное произведение векторов связей, получаем

= т-L—/с.-,,-,)^-, - d]

Заключение диссертации по теме «Высокомолекулярные соединения», Глаголев, Михаил Константинович

Выводы

В работе методом компьютерного эксперимента были исследованы процессы самоорганизации амфифильных макромолекул в растворе и привитых слоях.

1. Изучены разбавленные и концентрированные растворы макромолекул, амфифильные на уровне отдельного звена, в которых локальная спиральная структура была задана посредством фиксации угла изгиба и угла внутреннего вращения основной цепи.

• Конформационные свойства и особенности перехода клубок-глобула амфифильных макромолекул с вторичной локальной спиральной структурой зависят от параметров, задающих локальную спиральную структуру, и от жесткости их фиксации. При ухудшении качества растворителя вытянутые (с большим расстоянием между витками) спирали претерпевают резкий переход клубок-глобула, амплитуда которого увеличивается с ростом жесткости цепи, и формируют в плохом растворителе «коллагеноподобные» структуры. Размеры плотных спиралей, в которых соседние витки непосредственно примыкают друг к другу, при ухудшении качества растворителя изменяются плавно. В плохом растворителе гибкие цепи плотных спиралей образуют структуры в виде «шпилек», а жесткие макромолекулы - стержнеобразные глобулы с практически идеальным локальным спиральным порядком. Вне зависимости от параметров спирали при ухудшении качества растворителя, как правило, происходит стабилизация локальной спиральной структуры (увеличение доли участков с бездефектной спиральной укладкой цепи).

• В полуразбавленных растворах такие макромолекулы формируют межмолекулярные фибриллярные агрегаты-жгуты с узким (а иногда и моно-) распределением по агрегационным числам, в концентрированных растворах агрегаты располагаются параллельно друг другу. В агрегатах-жгутах цепи взаимно переплетены, их количество слабо зависит от концентрации макромолекул в растворе и их степени полимеризации.

• Обнаружено явление эффективного микрофазного расслоения макромолекул с различной хиральностью (разным направлением закрутки цепи), когда формирующиеся агрегаты содержат исключительно макромолекулы с одним направлением закрутки основной цепи.

2. Изучены плотные слои диблок-сополимерных макромолекул, состоящих из полностью несовместимых блоков.

• Предложена оригинальная модель слоя макромолекул из двух полностью несовместимых блоков, в рамках которой детально рассматриваются только внешние блоки, а внутренние блоки учитываются эффективно: предполагается, что точки прививки внешнего блока обладают подвижностью и могут перемещаться вдоль поверхности тем дальше от начального состояния, чем больше их эффективная подвижность, пропорциональная длине внутреннего блока и обратно пропорциональная плотности макромолекул в слое.

• Показано, что в плохом для внешнего блока растворителе цепи объединяются в мицеллы, хаотически разбросанные по поверхности. В случае жесткой пришивки (малой подвижности) цепей ядро мицеллы связано с поверхностью участками сильно вытянутых вдоль поверхности цепей, при достаточно высокой подвижности мицеллы представляют собой плотные агрегаты, максимально сегрегированные от поверхности.

• Предложено оценивать степень сегрегации мицелл посредством расчета угла смачивания, определенного как угол между плоскостью прививки и плоскостью, касательной к внешней поверхности мицеллы. Показано, что по мере увеличения подвижности цепей растет среднее агрегационное число мицелл и его дисперсия, высота агрегата и угол смачивания, увеличивается экспонированная в растворитель свободная поверхность при самоорганизации макромолекул в мицеллы.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям Валентине Владимировне Василевской и Алексею Ремовичу Хохлову за интересную тему исследований и постоянную поддержку в научной работе. Отдельно автор благодарит Игоря Яковлевича Ерухимовича и Алексея Александровича Лазутина за ценные замечания в ходе обсуждения результатов. Также автор благодарит всех сотрудников Лаборатории физической химии полимеров Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН и кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ за консультации и помощь, оказанную в период работы над диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Глаголев, Михаил Константинович, 2013 год

Список литературы

1. Lau K. F, Dill K. A. A lattice statistical mechanics model of the conformational and sequence spaces of proteins. //Macromolecules, 1989, v. 22, № 10, pp. 3986-3997.

2. Chan H. S., Dill K. A. Origins of structure in globular proteins. //Proc. Natl. Acad. Sci., 1990, 87, №16, pp. 6388-6392.

3. Yue K, Fiebig K M, Thomas P. D„ Chan H. S., Stakhnovich E. I., Dill K A. A test of lattice protein folding algorithms //Proc. Natl. Acad. Sci., 1995, v. 92, № 1, pp. 325-329.

4. Cui Y., Wong W. H. Multiple-sequence information provides protection against mis-specified potential energy functions in the lattice model of proteins //Phys. Rev. Letters, 2000, v. 85, № 24, pp. 5242-5245.

5. Wiist T., Landau D. P. The HP model of protein folding: A challenging testing ground for Wang-Landau sampling. //Computer Physics Communications, 2008, v. 179, №1-3, pp. 124-127.

6. Camacho C. J., Thirumalai D. Minimum Energy Compact Structures of Random Sequences of Heteropolymers // Phys. Rev. Letters, 1993, v. 71, № 15, pp. 2505-2508

7. Pande V. S., Grosberg A. Y, Tanaka T. Phase-Diagram of Heteropolymers with Imprinted Conformation // Macromolecules, 1995, vol. 28, № 7, pp. 2218-2227

8. Nelson E. D., Teneyck F., Onuchic J. F. Symmetry and kinetic optimization of proteinlike heteropolymers // Phys. Rev. Letters, 1997, v. 79, № 18, pp. 3534-3537

9. Lua R., Borovinskiy A. L., Grosberg A. Yu. Fractal and Statistical Properties of Large Compact Polymers: a Computational Study // Polymer, 2004, v. 45, №2, pp. 717731

10. Khokhlov A. R., Khalatur P. G Protein-like copolymers: Computer simulation // Physica A, 1998, v. 249, № 1-4, pp. 253-261.

11. Khokhlov A. R., Khalatur P. G. Conformation-Dependent Sequence Design (Engineering) of AB Copolymers // Phys. Rev. Letters, 1999, v. 82, № 17, pp. 3456-3459

12. Khokhlov A. R., Grosberg A. Yu., Khalatur P. G., Ivanov V. A., Govorun E. N., Chertovich A. V, LazutinA. A. "'Conformation-Dependent Sequence Design of ProteinLike AB-Copolymers" // In: Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi", Course CXLV: "Protein folding, evolution and design", 2001, Eds. R.A.Broglia and E.I.Shakhnovich, IOS Press, Amsterdam, pp.313-330

13. Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка: курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями. - М.: Книжный дом «Университет», 2002, 376 с.

14. Кантор Ч., Шиммел 77. Биофизическая химия: В 3-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984, 336 с.

15. Goldar A., Sikorav J.-L. DNA renaturation at the water-phenol interface // Eur. Phys. E. 2004. V. 14. № 3. pp. 211-239.

16. Okhapkin I. M., Makhaeva E. E., Khokhlov A. R. Two-dimensional classification of amphiphilic monomers based on interfacial and partitional properties. 1. Monomers of synthetic water-soluble polymers // Colloid Polym. Sci, 2005, v. 284, № 2, pp. 117-123.

17. Okhapkin I. M., Askadskii A. A., Markov V. A., Makhaeva E. E., Khokhlov A. R. Two-dimensional classification of amphiphilic monomers based on interfacial and partitional properties. 2. Amino acids and amino acid residues // Colloid Polym. Sci., 2006, v. 284, № 6, pp. 575-585.

18. Askadskii A. A. Physical properties of polymers. Prediction and control. -Amsterdam: Gordon and Breach Publishers, 1996.

19. Askadskii A. A. Computational materials science of polymers. - Cambridge: Cambridge International Science of Polymers, 2003, 695 p.

20. Vasilevskaya V. V, Khalatur P. G., Khokhlov A. R. Conformational Polymorphism of Amphiphilic Polymers in a Poor Solvent // Macromolecules, 2003, v. 36, № 26, pp. 10103-10111.

21. Vasilevskaya V. V, Klochkov A. A., Lazutin A. A., Khalatur P. G., Khokhlov A. R. HA (Hydrophobic/Amphiphilic) Copolymer Model: Coil-Globule Transition versus Aggregation // Macromolecules, 2004, v. 37, № 14, pp. 5444-5460.

22. Василевская В. В., Ермилов В. А. Компьютерное моделирование макромолекулярных систем с амфифильными мономерными звеньями. Биомиметические модели. // Высокомолек. соед. А, 2011, Т. 53, № 9, С. 1603-1626.

23. Ермилов В. А., Василевская В. В., Хохлов А. Р. Анализ вторичной структуры глобул сополимеров, состоящих из амфифильных и гидрофильных звеньев: компьютерное моделирование. // Высокомолек. соед. А, 2007, т. 49, № 1, с. 109-118.

24. Ермилов В. А., Василевская В. В., Хохлов А. Р. Вторичная структура глобул сополимеров, состоящих из амфифильных и гидрофильных звеньев: влияние радиуса действия потенциала // Высокомолек. соед. А, 2010, т. 52, № 3, с. 466-477.

25. Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. Статистическая физика макромолекул - М.: Наука, 1989, 344 с.

26. Gosule L. С., Schellman J. A. Compact form of DNA induced by spermidine // Nature, 1976, v. 259, № 5541, pp. 333-335.

27. Гросберг А. Ю. О возможных конформационных состояниях гомогенной упругой полимерной цепи // Биофизика, 1979, т. 24, № 1, с. 32-37.

28. Гросберг А. Ю., Жесткое А. В. Состояние тороидальной глобулы ДНК: персистентная макромолекула в низкомолекулярном растворителе // Биофизика, 1985, т. 30, с. 698-699.

29. Grosberg A. Yu., Zhestkov А. V. On the compact form of linear duplex DNA: globular states of the uniform elastic (persistent) macromolecule // J. Biomol. Struct. Dynam., 1986, v.3, № 5, pp. 859-872.

30. Ivanov VA., Stukan M. R., Vasilevskaya V. V, Paul W., Binder K. Structures of Stiff Macromolecules of Finite Chain Length near the Coil-Globule Transition: A Monte Carlo Simulation // Macromolecul. Theory Simul., 2000, v.9, № 8, pp. 488-499.

31. Noguchi H., Saito S., Kidoaki S., Yoshikawa K. Self-organized nanostructures constructed with a single polymer chain // Chemical Physics Letters, 1996, v. 261, № 4-5, pp. 527-533.

32. Noguchi H., Yoshikawa K. Morphological variation in a collapsed single homopolymer chain // Journal of Chemical Physics, 1998, v. 109, № 12, pp. 5070-5077.

33. Ivanov VA., Stukan M. R., Müller M., Paul W., Binder K. Phase diagram of solutions of stiff-chain macromolecules: A Monte Carlo simulation // Journal of Chemical Physics, 2003, v. 118, № 22, pp. 10333-10342.

34. Stukan M. R., Ivanov V A., Grosberg A. Yu., Paul W., Binder K. Chain Length Dependence of the State Diagram of a Single Stiff-Chain Macromolecule: Theory and Monte Carlo Simulation // J. Chem. Phys., 2003, v. 118, № 7, pp. 3392-3400.

35. Martemyanova J. A., Stukan M. R., Ivanov VA., Muller M., Paul W., Binder К. Dense orientationally ordered states of a single semiflexible macromolecule: An expanded ensemble Monte Carlo simulation // Journal of Chemical Physics, 2005, v. 122, article № 174907.

36. Vasilevskaya V. V, Khokhlov A. R., Kidoaki S., Yoshikawa K. Structure of Collapsed Persistent Macromolecule: Toroid vs. Spherical Globule // Biopolymers 1997, v. 41, № l,pp. 51-60.

37. Vasilevskaya V. V, Markov V. A., Khalatur P. G., Khokhlov A. R. Semiflexible amphiphilic polymers: Cylindrical-shaped, collagenlike, and toroidal structures // J. Chem. Phys., 2006, v. 124, № 14, article № 144914.

38. Markov V. A., Vasilevskaya V. V, Khalatur P. G., ten Brinke G, Khokhlov A. R. Diagram of state of stiff amphiphilic macromolecules // Macromol. Symposia, 2007, V. 252, № 1, pp. 24-35.

39. Марков В. А., Василевская В. В., Халатур П. Г., тен Бринке Г., Хохлов. А. Р. Конформационные свойства жесткоцепных амфифильных макромолекул: фазовая диаграмма // Высокомолек. соед. А, 2008, Т. 50, № 6, С. 965-976

40. Ushakova A. S., Govorun Е. N., Khokhlov A. R. Globules of amphiphilic macromolecules // J. Phys.: Condens. Matter., 2006, V. 18, № 3, P. 915-930.

41. Vasilevskaya V. V, Markov V. A., ten Brinke G., Khokhlov A. R. Self-organization in solutions of stiff-chain amphiphilic macromolecules // Macromolecules, 2008, V. 41, № 20, P. 7722-7728.

42. Wegner G. Nanocomposites of Hairy-Rod Macromolecules: Concepts, Constructs, and Materials // Macromol. Chem. Phys., 2003, V. 204, № 2, P. 347-357.

43. Rulkens R., Wegner G., Thurn-Albrecht T. Cylindrical micelles of wormlike polyelectrolites // Langmuir, 1999, V. 15, № 12, P. 4022-4025.

44. Bockstaller M., Kohler W, Wegner G., Fytas G. Characterization of association colloids of amphiphilic poly(p-phenylene)sulfonates in aqueous solution // Macromolecules, 2001, V. 34, № 18, P. 6353-6358.

45. Phlippova О. E., Rulkens R., Kovtunenko В. I., Abramchuk S. S., Khokhlov A. R., Wegner G. Polyacrylamide hydrogels with trapped polyelectrolyte rods // Macromolecules, 1998, V. 31, № 4, P. 1168-1179.

46. Kroeger A., BelackJ., LarsenA., Fytas G., Wegner G. Supramolecular structures in aqueous solutions of rigid polyelectrolytes with monovalent and divalent counterions // Macromolecules, 2006, V. 39, № 20, P. 7098-7106.

47. Kroeger A., Deimede V, Belack J., Liberwirth I., Fytas G., Wegner G. Equilibrium length and shape of rodlike polyelectrolyte micelles in dilute aqueous solutions // Macromolecules, 2007, V. 40, № 1, P. 105-115.

48. Thunemann A. F., Ruppelt D., Schnablegger H., Blaul J. Rigid-rod complex of cationic poly(p-phenylene) and a fluorinated amphiphile // Macromolecules, 2000, V. 33, № 6, P. 2124-2128.

49. Hill D. J., Moore J.S. Helicogenicity of solvents in the conformational equilibrium of oligo(m-phenylene ethynylene)s: Implications for foldamer research // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002, V. 99, № 8, P. 5053-5057.

50. Arnt L., Tew G. N. Conformational changes of facially amphiphilic meta-poly(phenylene ethynylene)s in aqueous solution // Macromolecules, 2004, V. 37, № 4, P. 1283-1288.

51. Cai С. H., Lin J. P., Chen Т., TianX. H. Aggregation Behavior of Graft Copolymer with Rigid Backbone // Langmuir, 2010, V. 26, № 4, P. 2791-2797.

52. Limbach H. J., Sayar M., Holm C. Polyelectrolyte bundles // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. V. 16. № 22, SI, P. S2135-S2144.

53. Limbach H. J., Holm C., Kremer K. Computer simulations of the «hairy rod» model // Macromol. Chem. Phys., 2005, V. 206, № 1, P. 77-82.

54. Hess В., Sayar M., Holm C. Stability of hydrophobically modified poly(p-phenylenesulfonate) bundles as observed by molecular dynamics simulation // Macromolecules, 2007, V. 40, № 5, P. 1703-1707.

55. Sayar M., Holm C. Finite-size polyelectrolyte bundles at thermodynamic equilibrium // EPL, 2007, V. 77, № 1, article № 16001.

56. Kim К. H., Huh J., Jo W. H. Wirelike micelle formed by a T-shaped graft copolymer with a rigid backbone // Macromolecules, 2004, V. 37, № 2, P. 676-679.

57. David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. Third Edition - New York: Worth Publishers, 2000.

58. Сингер M., БергП. Гены и геномы: В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. - М.:, Мир, 1998, 373 с.

59. Sanji Т., Kato N., Tanaka М. Switching of Optical Activity in Oligosilane through pH-Responsive Chiral Wrapping with Amylose // Macromolecules, 2006, V. 39, № 22, P. 7508-7512

60. Hasegawa Т., Morino K., Tanaka Y., Katagiri H., Furusho Y., Yashima E. Temperature-Driven Switching of Helical Chirality of Poly[(4-carboxyphenyl)acetylene] Induced by a Single Amidine Enantiomer and Memory of the Diastereomeric Macromolecular Helicity // Macromolecules, 2006, V. 39, № 2, P. 482-488.

61. Kouwer, P. H. J., Koepf, M, Le Sage, V. A. A., Jaspers, M, van Buul, A. M., Eksteen-Akeroyd, Z. H., Woltinge, Т., Schwartz, E., Kitto, H. J., Hoogenboom, R., Picken, S. J., Nolte, R. J. M., Mendes, E., Rowan, A. E. Responsive biomimetic networks from polyisocyanopeptide hydrogels //Nature, 2013, V. 493, № 7434, P. 651-655.

62. Хохлов A. P., Кучанов С. И. Лекции по физической химии полимеров. - М: Мир, 2000, 192 с.

63. Киреев В. В. Высокомолекулярные соединения. - М: Высшая школа, 1992, 512 с.

64. М. В. Волькенштейн. Молекулярная биофизика. - М: Наука, 1975, 616 с.

65. Kudlay A., Cheung М. S., Thirumalai D. Crowding Effects on the Structural Transitions in a Flexible Helical Homopolymer // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. № 11. article № 118101.

66. Kanazawa H., Matsushima Y., Okano T. Temperature-responsive chromatography // Trends in analytical chemistry, 1998, V. 17, № 7, P. 435-440.

67. Kumar A., Srivastava A., Galaev I. Yu., Mattiasson B. Smart polymers: physical forms and bioengineering applications // Progress in polymer science, 2007, V. 32, № 10, P. 1205-1237.

68. Zhao В., Brittain W. J. Synthesis, characterization, and properties of tethered polystyrene-b-polyacrylate brushes on flat silicate substrates // Macromolecules, 2000, V. 33, №23, P. 8813-8820.

69. Zhao B. Brittain W. J., Zhou W„ Cheng S. Z. D. AFM study of tethered polystyrene-b-poly(methyl methacrylate) and polystyrene-b-poly(methyl acrylate) brushes on flat silicate substrates. // Macromolecules, 2000, V. 33, № 23, P. 8821-8827.

70. Zhao В., Brittain W. J., Zhou W., Cheng S. Z. D. Nanopattern formation from tethered PS-b-PMMA brushes upon treatment with selective solvents // J. Am. Chem. Soc. 2000, V. 122, № 10, P. 2407-2408.

71. Brittain W. J., Boyes S. G, Granville A. M., Baum M., Mirous В. K, Akgun В., Zhao В., Blickle C., Foster, M. D. Surface rearrangement of diblock copolymer brushes -Stimuli responsive films //Adv. Polym. Sci, 2006, V. 198, P. 125-147.

72. Gao X., Feng W., Zhu S., Sheardown H., Brash J. L. A facile method of forming nanoscale patterns on poly(ethylene glycol)-based surfaces by self-assembly of randomly grafted block copolymer brushes // Langmuir, 2008, V. 24, № 15, P. 8303-8308.

73. Yang P., Han Y Microphase-Separated Brushes on Square Platelets in PS-b-PEO Thin Films // Macromol. Rapid Commun. 2009, V. 30, № 17, p. 1509-1514.

74. Rahane S. B., Floyd J. A., Metiers A. T., Kilbey S. M. II. Swelling behavior of multiresponsive poly(methacrylic acid)-block-poly(N-isopropylacrylamide) brushes synthesized using surface-initiated photoiniferter-mediated photopolymerization. // Adv. Funct. Mater, 2008, V. 18, № 8, P. 1232-1240.

75. Yu K., Wang H., Xue L., Han Y. Stimuli-responsive polyelectrolyte block copolymer brushes synthesized from the Si wafer via atom-transfer radical polymerization // Langmuir, 2007, V. 23, № 3, P. 1443-1452.

76. Yu K., Han Y. Effect of block sequence and block length on the stimuli-responsive behavior of polyampholyte brushes: hydrogen bonding and electrostatic interaction as the driving force for surface rearrangement // Soft Matter, 2009, V. 5, № 4, P. 759-768.

77. O'Driscoll B. M. D., Griffiths G. H., Matsen M. W., Perrier S., Ladmiral V, Hamley I. W. Lateral Phase Separation in Grafted Diblock Copolymer Films // Macromolecules, 2010, V. 43, № 19, P. 8177-8184.

78. O'Driscoll B. M. D., Newby G. E., Hamley I. W. Phase separated structures in tethered dPS-PMMA copolymer films revealed using X-ray scattering with a novel contrast enhancement agent // Polymer chemistry, 2011, V. 2, № 3, P. 619-624.

79. Zhulina E. B., Singh C., Balazs A. C. Forming patterned films with tethered diblock copolymers // Macromolecules, 1996, V. 29, № 19, P. 6338-6348.

80. Zhulina E. B., Singh C., Balazs A. C. Self-assembly of tethered diblocks in selective solvents // Macromolecules, 1996, V. 29, № 25, P. 8254-8259.

81. Meng D., Wang Q. Solvent response of diblock copolymer brushes // J. Chem. Phys., 2009, V. 130, № 13, article № 134904.

82. Yin Y, Sun P., Li B., Chen T., Jin Q., Ding D., Shi A.-C. A simulated annealing study of diblock copolymer brushes in selective solvents // Macromolecules, 2007, V. 40, № 14, P. 5161-5170.

83. Matsen M. W., Griffiths G. H. Melt brushes of diblock copolymer // Eur. Phys. J. E, 2009, V. 29, № 2, P. 219-227.

84. Guskova O. A., Seidel C. Mesoscopic Simulations of Morphological Transitions of Stimuli-Responsive Diblock Copolymer Brushes // Macromolecules, 2011, V. 44, № 3, P. 671-682.

85. Brown G., Chakrabarti A., Marko J. F. Layering Phase-Separation of Densely Grafted Diblock Copolymers // Macromolecules, 1995, V. 28, № 23, P. 7817-7821.

86. Ferreira P. G., Leibler L. Copolymer brushes // J. Chem. Phys., 1996, V. 105, № 20, P. 9362-9370.

87. Verlet L. Computer «Experiments» on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules // Phys. Rev., 1967, v. 159, № 1, p. 98-103.

88. Andersen H. C. Rattle: A "Velocity" Version of the Shake Algorithm for Molecular Dynamics Calculations // J. Comput. Phys., 1983, v. 52, № 1, p. 24-34.

89. Sullivan F., Mountain R. D., O'Connel J. Molecular-Dynamics on Vector Computers // J. Comput. Phys., 1985, v. 61, № 1, p. 138-153.

90. Allen M. P., Tildesley D. J. Computer Simulation of Liquids. - Oxford: Clarendon Press, 1990, 386 p.

91. Маневич JI. И., Савин А. В. Солитоны растяжения в молекуле полиэтилена // Высокомолек. соед. А, 1996, т. 38, № 7, с. 1209-1215.

92. Rapaport D. С. The art of molecular dynamics simulation - Cambridge: Cambridge University Press, 1997, 564 p.

93. Olsen K, Bohr J. The generic geometry of helices and their close-packed structures // Theor. Chem. Assoc., 2010, V. 125, № 3-6, P. 207-215.

94. Plimpton S. J. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular-Dynamics // J. Сотр. Phys, 1995, V. 117, № 1, P. 1-19.

95. Воеводин Вл. В., Жуматий С. А., Соболев С. И., Антонов А. С., Брызгалов П. А., Никитенко Д. А., Стефанов К. С., Воеводин Bad. В. Практика суперкомпьютера «Ломоносов» // Открытые системы, 2012, № 7

96. Grosberg A. Yu., Kuznetsov D. V. Quantitative Theory of the Globule-to-Coil Transition: 1. Link Density Distribution in a Globule and its Radius of Gyration // Macromolecules, 1992, V. 25, № 7, P. 1970-1979.

97. Семенов A. H., Хохлов A. P. Статистическая физика жидкокристаллических полимеров // Успехи физических наук, 1988, № 11, с. 427-476

98. Grosberg A. Y, Khokhlov A. R. Statistical-Theory of Polymeric Lyotropic Liquid-Crystals // Adv. Polym. Sci., 1981, V. 41, P. 53-97

99. Philippova О. E., Volkov E. V, Sitnikova N. L., Khokhlov A. R. Two types of hydrophobic aggregates in aqueous solutions of chitosan and its hydrophobic derivative // Biomacromolecules, 2001, V. 2, № 2, P. 483-490.

100. Schulz L., Burchard W., Donges R. Evidence of Supramolecular Structures of Cellulose Derivatives in Solution // Cellulose Derivatives. Modification, Characterization, and Nanostructures / Ed. by T. J. Heinze, W. G Glasser ACS Symp. Ser. 688. Am. Chem. Soc., Washington: 1998. Ch. 16. P. 218-238.

101. Gallyamov M. O., Chaschin I. S., Gamzazade A. I., Khokhlov A. R. Chitosan Molecules Deposited from Supercritical Carbon Dioxide on a Substrate: Visualization and Conformational Analysis // Macromol. Chem. Phys., 2008, V. 209, № 21, P. 22042212.

102. Khokhlova M. A., Chaschin I. S., Grigorev T. E., Gallyamov M. O. Chitosan Macromolecules on a Substrate: Deposition from Solutions in se C02 and Reorganization in Vapours // Macromol. Symp., 2010, V. 296, 531-540.

103. Maresov E. A., Semenov A. N. Mesoglobule Morphologies of Amphiphilic Polymers // Macromolecules, 2008, V. 41, № 23, P. 9439-9457.

104. Субботин А. В., Семенов A. H. Агрегационные эффекты в растворах модельных олигопептидов и других амфифильных полимеров. // Высокомолек. соед. С, 2012, Т. 54, № 7, с. 1000-1012.

105. К. Terao, R. Kanenaga, Т. Sato, К. Mizuno, H. P. Bâchinger. Complex Formation of Collagen Model Peptides with Polyelectrolytes and Stabilization of the Triple Helical Structure // Macromolecules, 2012, V. 45, № 1, P. 392-400.

106. Tang H., Li Y, Lahasky S. H., Sheiko S. S., Zhang D. Core-Shell Molecular Bottlebrushes with Helical Polypeptide Backbone: Synthesis, Characterization, and Solution Conformations // Macromolecules, 2011, V. 44, № 6, P. 1491-1499.

107. Tadmor R., Khalfin R. L., Cohen Y. Reversible gelation in isotropic solutions of the helical polypeptide poly(gamma-benzyl-L-glutamate): Kinetics and formation mechanism of the fibrillar network // Langmuir, 2002, V. 18, № 19, P. 7146-7150.

108. Gosal W. S., Clark A. H., Pudney P. D. A., Ross-Murphy S. B. Novel amyloid fibrillar networks derived from a globular protein: beta-lactoglobulin // Langmuir, 2002, V. 18, № 19, P. 7174-7181.

109. Adamcik J., Mezzenga R. Proteins Fibrils from a Polymer Physics Prospective // Macromolecules, 2012, V. 45, № 3, P. 1137-1150.

110. Riihs P. A., Adamcik J., Bolisetty S., Sânchez-Ferrer A., Mezzenga R. A supramolecular bottle-brush approach to disassemble amyloid fibrils // Soft Matter, 2011, V. 7, № 7, 3571-3579.

111. M. Mueller. The Bond Fluctuation Model and Other Lattice Models. // Handbook of Materials Modeling/Ed. S. Yip. Springer, 2005, p. 2599-2606.

112. Ermilov V., Lazutin A., Halperin A. Colloids in Brushes: The Insertion Free Energy via Monte Carlo Simulation with Umbrella Sampling // Macromolecules, 2010, V. 43, №7, P. 3511-3520.

113. Tsuchida E., Abe K. Interactions Between Macromolecules in Solution and Intermacromolecular Complexes // Adv. Polym. Sci. 1982, V. 45, P. 1-119.

114. Kirkpatrick S., Stoll E. P. A very fast shift-register sequence random number generator. // J. Сотр. Phys., 1981, V. 40, № 2, P. 517-526.

115. Bates E S., Fredrickson G. H. Block Copolymer Thermodynamics - Theory and Experiment //Annu. Rev. Phys. Chem., 1990, V. 41, P. 525-557.

116. Ерухгшович И. Я., Хохлов А. Р. Микрофазное расслоение в полимерных системах: новые подходы и новые объекты // Высокомолек. соед. А, 1993, Т. 35, № 11, С. 1808-1818.

117. Binder К. Phase-Transitions in Polymer Blends and Block Copolymer Melts -Some Recent Developments //Adv. Polym. Sci., 1994, V. 112, P. 181-299.

118. Brereton M. G., Vilgis T. A. The Random Phase Approximation for Polymer Melts with Quenched Degrees of Freedom // J. Phys. I France 1992, V. 2, № 5, P. 581-598.

119. Ерухгшович И. Я., Добрынин А. В. Об условиях существования стекольной фазы в неупорядоченных системах, описываемых гамильтонианом слабой кристаллизации общего вида // Письма в ЖЭТФ, 1993, Т. 57, № 2, С. 116-120.

120. Добрынин А. В., Ерухгшович И. Я. Фазовая диаграмма неупорядоченных систем, описываемых обобщенным гамильтонианом слабой кристаллизации // Журн. эксперим. и теорет. физики. 1993, Т. 104, № 2, С. 2838-2852.

121. Vasilevskaya V. V., Klochkov A. A., Khalatur P. G., Khokhlov A. R., ten Brinke G. Microphase separation within a comb copolymer with attractive side chains: A computer simulation study // Macromolecul.Theory Simul. 2001, V. 10, № 4, P. 389-394.