Физики создали модель коацервации полимеров

Коацервация — процесс, при котором полимер из раствора сгущается в маленькие нерастворимые капельки. Этот простой, но эффективный способ работы с полимерами широко распространен. Его применяют при производстве лекарств, соусов и даже жидкости для снятия макияжа. Физики МИЭМ ВШЭ создали теоретическую модель коацервации в растворах полибетаинов, предсказывающую, при каких условиях она пройдет успешно. Результаты позволят химикам эффективнее проводить синтез подходящих для коацервации полимеров. Исследование опубликовано в журнале Soft Matter.

Раствор полимера можно представить как смесь воды и вещества, которое может образовывать специальные плотные структуры. При изменении условий, например pH (уровень кислотности/щелочности среды) или температуры, раствору становится термодинамически невыгодно находиться в однородном состоянии, и он разделяется. Полимер внутри раствора сворачивается и формирует небольшие частицы, отдельные от раствора. В результате образуются две жидкие части: частицы, богатые веществом, и растворитель с практически нулевой концентрацией полимера. Частицы — коацерваты — остаются в среде в нерастворимом виде и напоминают медуз, плавающих в морской воде.

Коацерваты с нами очень давно: согласно теории Опарина — Холдейна, именно в коацерватных каплях зародилась первая жизнь на Земле. Сейчас областей применения коацерватов множество, они окружают нас повсеместно. В фармацевтике благодаря коацервации создают пленки, которые защищают активное вещество лекарства от окружающей среды и помогают ему высвободиться только на нужном этапе. Коацерваты используют в жидкостях для снятия макияжа, а также в лосьонах, кондиционерах и шампунях. В пищевой промышленности их применяют при производстве соусов и йогуртов: коацерваты образуются внутри продукта и помогают создать однородные стабильные смеси.

Команда исследователей МИЭМ ВШЭ разработала теоретическую модель, которая предсказывает наиболее подходящие параметры для коацервации полимеров — веществ, состоящих из многократно повторяющихся одинаковых структурных звеньев. Модель следует основным принципам физики макромолекул и учитывает, насколько полимерные цепочки длинные и с какой силой притягиваются друг к другу.

Исследователи построили модель коацервации молекул полибетаина. Это соединения с цвиттер-ионной структурой, при которой у звеньев полимерной цепи есть одновременно положительно и отрицательно заряженные центры. Полибетаины очень чувствительны к температуре при коацервации, поэтому, чтобы провести синтез эффективнее, размером и плотностью капель нужно управлять, меняя незначительно температуру в диапазоне 18–20°С.

В своей работе ученые рассмотрели растворы с различной концентрацией полибетаина и описали, какие температуры будут оптимальны. Дополнительно ученые рассчитали поверхностное натяжение коацервата — показатель того, насколько поверхность образовавшегося коацервата устойчива. 

Капелька в растворе состоит из полимеров с большими дипольными моментами — произведением абсолютной величины зарядов ионных групп на их относительное расстояние. И если в раствор добавить другие полимеры с высокой полярностью или зарядом, то они будут притягиваться к капле за счет электростатических сил.

Коацерват, как маленький магнит, притягивает к себе молекулы, которые сильно с ним взаимодействуют, и, как губка, впитывает их. Можно использовать эти капли как ловушки, захватывающие определенные типы белков и аминокислот. В частности, капельки полибетаинов могут отфильтровывать в растворе биополимеры — белки и аминокислоты.

Юрий Будков
Автор статьи, профессор МИЭМ ВШЭ

Также эти данные можно использовать для более эффективного синтеза полимеров. Химики на основе модели смогут задать оптимальные расчетные значения молекулярных свойств полимеров и получить макромолекулы, наиболее подходящие для последующей коацервации. Важно, что теоретическая модель ученых уже подтверждается независимыми экспериментальными данными их коллег.

Когда статья готовилась к публикации, мы нашли недавно опубликованное исследование, подтверждающее наши теоретические модели коацервации уже экспериментально. И результаты совпадают с нашими расчетными параметрами расстояния между заряженными центрами, размера мономерного звена и т.д. Оказалось, что наша теория предсказывает образование коацерватов именно в той области температур, которые наблюдаются в реальных водных растворах полибетаинов. Важно, что не только теория предсказывает сам эффект, но и наши расчеты подтверждаются экспериментально.

Петр Брандышев
Научный сотрудник МИЭМ ВШЭ

IQ

21 июня, 2023 г.