Morphological Transitions in Solutions of Macromolecules with Solvophilic Backbone and Orientationally Mobile Solvophobic Side Groups

G. A. Shuldyakov; Шульдяков Г. А.; A. I. Buglakov; Буглаков А. И.; D. E. Larin; Ларин Д. Е.

doi:10.31857/S2308112023700578

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ В РАСТВОРАХ МАКРОМОЛЕКУЛ С СОЛЬВОФИЛЬНОЙ ОСНОВНОЙ ЦЕПЬЮ И ОРИЕНТАЦИОННО-ПОДВИЖНЫМИ СОЛЬВОФОБНЫМИ БОКОВЫМИ ГРУППАМИ

Авторы: Шульдяков Г.А.¹, Буглаков А.И.¹, Ларин Д.Е.¹^,2
Учреждения:
1. Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук
2. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Физический факультет
Выпуск: Том 65, № 4 (2023)
Страницы: 306-320
Раздел: ТЕОРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
URL: https://ogarev-online.ru/2308-1120/article/view/135322
DOI: https://doi.org/10.31857/S2308112023700578
EDN: https://elibrary.ru/PYOLNV
ID: 135322

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Разработана теоретическая модель, описывающая самосборку в разбавленных растворах амфифильных макромолекул с остовом из сольвофильных звеньев (P-групп) и сольвофобными боковыми цепями (H-группами), обладающими ориентационной подвижностью относительно звеньев основной цепи. В рамках сильной сегрегации, при которой размер нерастворимых областей формируемых мицелл порядка размера гидрофобных боковых цепей, рассчитаны диаграммы состояния раствора без учета и с учетом вклада ориентационной энтропии боковых групп в полную свободную энергию раствора при различных термодинамическом качестве растворителя для макромолекул и частоте регулярной пришивки H-групп и найдены области стабильности сферических, цилиндрических мицелл и плоских бислоев (везикул). Получено, что вклад ориентационной энтропии оказывает существенное влияние на вид диаграмм состояния. В случае учета ориентационной подвижности условия стабильности цилиндрических мицелл оказываются очень чувствительны к изменению плотности пришивки боковых групп, что может служить причиной, по которой формирование длинных цилиндрических (червеобразных) мицелл не наблюдается в эксперименте и компьютерном моделировании. Как было показано ранее на качественном уровне, ориентационная подвижность боковых групп может приводить к появлению ориентационно-индуцированного притяжения между полимерными мицеллами (Buglakov A.I., Larin D.E., Vasilevskaya V.V. // Polymer. 2021. V. 232. P. 124160). В настоящей работе были произведены точные аналитические расчеты энергии ориентационно-индуцированного притяжения для случая взаимодействия двух плоских бислойных мицелл. На расстояниях порядка размера боковой H-группы, силы ориентационно-индуцированного притяжения намного больше сил Ван-дер-Ваальса и, следовательно, именно ориентационно-индуцированное притяжение может быть определяющим при образовании крупных агрегатов, наблюдаемых в экспериментах.

Список литературы

Kale T.S., Klaikherd A., Popere B., Thayumanavan S. // Langmuir. 2009. V. 25. P. 9660.
Zhang J., Liu K., Müllen K., Yin M. // Chem. Commun. 2015. P. 5111541.
Vasilevskaya V.V., Govorun E.N. // Polym. Rev. 2019. V. 59. P. 625.
Zhang H., Ruckenstein E. // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 814.
Peng D., Zhang X., Huang X. // Polymer. 2006. V. 47. P. 6072.
Ivanova A.S., Mikhailov I.V., Polotsky A.A., Darinskii A.A., Birshtein T.M., Borisov O.V. // J. Chem. Phys. 2020. V. 152. P. 081101.
Borisov O.V., Polotsky A.A., Rud O.V., Zhulina E.B., Leermakers F.A.M., Birshtein T.M. // Soft Matter. 2014. V. 10. P. 2093.
Liang X., Liu Y., Huang J., Wei L., Wang G. // Polym. Chem. 2015. V. 6. P. 466.
Uhrig D., Mays J.W. // Macromolecules. 2002. V. 35. P. 7182.
Rosen B.M., Wilson C.J., Wilson D.A., Peterca M., Imam M.R., Perec V. // Chem. Rev. 2009. V. 109. P. 6275.
Zhulina E.B., Sheiko S.S., Borisov O.V. // Soft Matter. 2022. V. 18. P. 8714.
Erukhimovich I., Theodorakis P.E., Paul W., Binder K. // J. Chem. Phys. 2011. V. 134. P. 054906.
Buglakov A.I., Larin D.E., Vasilevskaya V.V. // Macromolecules. 2020. V. 53. № 12. P. 4783.
Holmberg K., Jonsson B., Kronberg B., Lindman B. // Surfactants and Polymers in Aqueous Solution. Second Ed. New York: Wiley, 2002.
Glagoleva A.A., Vasilevskaya V.V. // J. Colloid Interface Sci. 2021. V. 585. P. 408.
Ahsan H. // J. Carbohydr. Chem. 2019. V. 38. P. 213.
Wang X., Zhang H., Liang X., Shi L., Chen M., Wang X., Liu W., Ye Z. // Energy Fuels. 2021. V. 35. P. 1143.
Rouzes C., Durand A., Leonard M., Dellacherie E.J. // Colloid Interface Sci. 2002. V. 253. P. 217.
Lazutin A.A., Govorun E.N., Vasilevskaya V.V., Khokhlov A.R. // J. Chem. Phys. 2015. V. 142. P. 184904.
Chen Y., Kushner A.M., Williams G.A., Guan Z. // Nat. Chem. 2012. V. 4. P. 467.
Nichifor M. // Polymers. 2023. V. 15. P. 1065.
Du X., Liu Y., Wang X., Yan H., Wang L., Qu L., Kong D., Qiao M., Wang L. // Mater. Sci. Eng. C. 2019. V. 104. P. 109930.
Bianculli R.H., Mase J.D., Schulz M.D. // Macromolecules. 2020. V. 53. P. 9158.
Wang F., Xiao J., Chen S., Sun H., Yang B., Jiang J., Zhou X., Du J. // Adv. Mater. 2018. V. 30. № 17. P. 1705674.
Myrick J.M., Vendra V.K., Krishnan S. // Nanotechnol. Rev. 2014. V. 3. P. 319.
Foght J.M., Gutnick D.L., Westlake D.W. // Appl. Environ. Microbiol. 1989. V. 55. P. 36.
Wu Z., Li H., Zhao X., Ye F., Zhao G. // Carbohydr. Polym. V. 284. P. 119182.
Akiyoshi K., Deguchi S., Moriguchi N., Yamaguchi S., Sunamoto J. // Macromolecules. 1993. V. 26. P. 3062.
Sato T., Yang J., Terao K. // Polym. J. 2022. V. 54. P. 403.
Peng D., Zhang X., Feng C., Lu G., Zhang S., Huang X. // Polymer. 2007. V. 48. P. 5250.
Li Y., Zhang Y., Yang D., Feng C., Zhai S., Hu J., Lu G., Huang X. // Polym. Chem. 2009. V. 47. P. 6032.
Ding A., Xu J., Gu G., Lu G., Huang X. // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 12601.
Halamish H.M., Trousil J., Rak D., Knudsen K.D., Pavlova E., Nyström B., Štěpánek P., Sosnik A. // J. Colloid Interface Sci. V. 553. P. 512.
Ярославов А.А., Аржаков М.С., Хохлов А.Р. // Вестн. РАН. 2022. Т. 92. С. 961.
Zhang C., Zhang R., Zhu Y., Wei W., Gu Y., Liu X. // Mater. Lett. 2016. V. 164. P. 15.
Besheer A., Hause G., Kressler J., Mäder K. // Biomacromolecules. 2007. V. 8. P. 359.
Ma Y., Cao T., Webber S.E. // Macromolecules. 1998. V. 31. P. 1773.
Kuroda K., Fujimoto K., Sunamoto J., Akiyoshi K. // Langmuir. 2002. V. 18. P. 3780.
Michailova V.I., Momekova D.B., Velichkova H.A., Ivanov E.H., Kotsilkova R.K., Karashanova D.B., Mileva E.D., Dimitrov I.V., Rangelov S.M. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. № 22. P. 60728.
Riemer S., Prévost S., Dzionara M., Gasser U., Gradzielski M. // Polymer. 2017. V. 128. P. 78.
Buglakov A.I., Larin D.E., Vasilevskaya V.V. // Polymer. 2021. V. 232. P. 124160.
Buglakov A.I., Vasilevskaya V.V. // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 614. P. 181.
Glagoleva A.A., Vasilevskaya V.V., Khokhlov A.R. // Macromol. Theory Simul. 2015. V. 24. P. 393.
Borisov O.V., Halperin A. // Langmuir. 1995. V. 11. P. 2911.
Esquenet C., Terech P., Boué F., Buhler E. // Langmuir. 2004. V. 20. № 9. P. 3583.
Borisov O.V., Halperin A. // Macromolecules. 1996. V. 29. P. 2612.
Milner S.T., Witten T.A. // Macromolecules. 1992. V. 25. № 20. P. 5495.
Semenov A.N., Joanny J.-F., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 1995. V. 28. P. 1066.
Halperin A. // Macromolecules. 1991. V. 24. P. 1418.
Witten T.A. // J. phys. France. 1988. V. 49. P. 1055.
Tam K.C., Ng W.K., Jenkins R.D. // J. Appl. Polym. Sci. 2006. V. 102. P. 5166.
Pan J., Gao L., Sun W., Wang S., Shi X. // Macromolecules. 2021. V. 54. № 13. P. 5962.
Wang S., Liu M., Gao L., Guo G., Huo Y. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. P. 19554.
Wang S., Li S., Gao L. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. P. 43622.
Yanagisawa Y., Nan Y., Okuro K., Aida T. // Science. 2018. V. 359. P. 72.
Grosberg A.Yu., Khokhlov A.R. // Statistical Physics of Macromolecules. New York: AIP Press, 1994.
Vasilevskaya V.V., Khalatur P.G., Khokhlov A.R. // Macromolecules. 2003. V. 36. № 26. P. 10103.
Maresov E.A., Semenov A.N. // Macromolecules. 2008. V. 41. P. 9439.
Subbotin A.V., Semenov A.N. // Polymer Science C. 2012. V. 54. № 1. P. 36.
Larin D.E., Govorun E.N. // Polymer Science A. 2019. V. 61. № 5. P. 710.
Israelachvilli J.N. // Intermolecular and Surface Forces. San Diego: Elsevier, 2011.
Helfrich W.Z. // Naturforsch. 1973. V. 28. P. 693.
Larin D.E., Glagoleva A.A., Govorun E.N., Vasilevskaya V.V. // Polymer. 2018. V. 146. P. 230.
Lifshitz I.M., Grosberg A.Y., Khokhlov A.R. // Rev. Mod. Phys. 1978. V. 50. P. 683.
Flory P.J. // Principles of Polymer Chemistry. Ithaca: Cornell Univ. Press, 1953.
Pramod P.S., Takamura K., Chaphekar S., Balasubramanian N., Jayakannan M. // Biomacromolecules. 2012. V. 13. P. 3627.