Физики объяснили, что такое со-нерастворимость

Исследователи из Высшей школы экономики и Лейпцигского Университета создали модель, которая позволяет быстро и эффективно предсказывать поведение полимеров в смешанных растворителях. Это первая научная работа, которая объясняет эффект подавления «со-нерастворения» при высоких давлениях. Статья опубликована в журнале Soft Matter.

Если взять воду и метиловый спирт, то по отдельности они будут хорошо растворять один и тот же поли-N-изопропилакриламид (ПНИПАМ). Но если смешать их, то вместе они будут растворять его уже не полностью. В этом и заключается парадоксальность эффекта со-нерастворимости. И, несмотря на то, что он известен давно, физические механизмы, в результате которых происходит это явление, до недавнего времени систематически не изучались.

— Макромолекула ПНИПАМа и вода стремятся образовать водородные связи, и молекулы метилового спирта также стремятся образовать водородные связи с полимерной цепочкой. Но водородные связи ПНИПАМ-спирт сильнее, чем водородные связи ПНИПАМ-вода. Таким образом, эта конкурентная борьба приводит к тому, что при определенной концентрации спирта полимеру легче свернуться, образовать компактную глобулу, как можно больше набрать туда спирта, а воду вытеснить. Получается, что такое явление может происходить только в системах, в которых могут образовываться водородные связи. Еще в 1978 году было экспериментально обнаружено явление со-нерастворимости в тройной системе полистирол-циклогексан-диметилформамид, где никаких водородных связей нет. Тогда исследователи из группы проф. Кремера высказали предположение, что со-нерастворимость — общий физический эффект, — объясняет Юрий Будков, доцент Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова НИУ ВШЭ.   

Исследователи построили модель гибкой полимерной цепи в смешанных растворителях и показали, что в той области параметров межмолекулярных взаимодействий и концентрации со-растворителя, которые были предсказаны ранее, происходит коллапс полимерной цепи. То есть имеет место эффект со-нерастворимости. Ранее было выявлено, что при высоком давлении со-нерастворимость может быть подавлена, но теоретически этот механизм объяснен не был. Исследователи подтвердили эту гипотезу  с точки зрения физики и объяснили микроскопический механизм подавления со-нерастворимости. 

Созданная математическая модель позволяет достаточно быстро предсказывать, как будет вести себя полимерная система в различных состояниях. Это может иметь не только чисто академический интерес, но и существенно сэкономит время при проведении экспресс-анализов. Модель найдет свое применение в медицине, фармакологии (адресной доставке лекарственных соединений, создании лекарственных препаратов пролонгированного действия), пищевой промышленности (создании суспензий, таких как майонез, кетчуп, молочные продукты) и других областях.

December 18, 2017