Глобула (полимеры)

У этого термина существуют и другие значения, см. Глобула.

Глобула — состояние (набор конформаций) полимерной цепи, в котором флуктуации концентрации звеньев малы: их радиус корреляции значительно меньше размера макромолекулы. Концентрация звеньев в глобулярном состоянии значительно выше, чем в полимерном клубке, причём эта концентрация постоянна во всём объёме глобулы, кроме тонкого слоя на поверхности (например, межфазной границы полимер/растворитель), называемого опушкой глобулы.

Переход клубок—глобула

Как правило, в растворе гомополимера при ухудшении качества растворителя (обычно при понижении температуры) полимерная цепь испытывает переход клубок—глобула. Физически это происходит потому, что плохой растворитель соответствует притягивающему объемному взаимодействию звеньев. Сначала чуть ниже θ-температуры (на величину порядка $N^{-1/2}$, где $N$ — степень полимеризации цепи, то есть количество звеньев в ней) клубок коллапсирует в рыхлую глобулу, близкую по размеру к клубку; при дальнейшем ухудшении качества растворителя глобула становится плотной. Фазовый переход клубок-глобула был феноменологически изучен П. Дж. Флори в 1949 году^[1], часто используются модификации подхода Флори, предложенные Птицыным и Эйзнером, Бирштейн и Прямицыным (1986). Значительно более строгий, но сложный метод был предложен в 1979 году И. М. Лифшицем, А. Ю. Гросбергом и А. Р. Хохловым на основе подхода, представляющего конформационную энтропию цепи в виде функционала плотности (формула Лифшица)^[2].

Одним из примеров глобулы могут служить белки. Однако они демонстрируют сложное поведение при денатурации-ренатурации: хотя некоторые из вышеназванных методов разрабатывались именно ввиду перехода нативная-денатурированная конформация в белках, они оказались неприменимыми к столь непростому объекту.

Растворимые глобулы

Как правило, поверхностное натяжение глобулы положительно, то есть глобулы в растворе агрегируются и выпадают в осадок. Это легко объяснить: если взаимодействие звеньев друг с другом и с молекулами растворителя заставляет их притягиваться и образовывать глобулу в пределах одной цепи, то звенья разных цепей также будут притягиваться.

Тем не менее, некоторые вещества — например, белки — представляют собой растворимые глобулы. Однако белки обладают довольно сложной структурой, представляющей сложность для химического синтеза и с трудом поддающейся теоретическому анализу. Получение растворимых глобул может быть перспективно как для объяснения свойств растворимых глобулярных биополимеров, так и в практических приложениях: для осуществления направленной доставки лекарств, создания молекулярных каркасов (scaffold), в катализе, в топливных элементах. Экспериментально растворимые глобулы, образованные амфифильными гомополимерами, были получены (1990-е годы) и исследуются в группе Ф. Винник (Françoise Winnik)^[3]. В компьютерных экспериментах существование растворимых глобул было обнаружено в начале 2000-х в группе В. Василевской. Теоретически такое поведение было объяснено несколько позже А. Семеновым с соавторами.

Литература

• А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов, Статистическая физика макромолекул. — М.: Наука, 1989. ISBN 5-02-014055-4
• Г. М. Бартенев, С. Я. Френкель, Физика полимеров. — Л.: Химия, 1990. ISBN 5-7245-0554-1

Примечания

1. ↑ Paul J. Flory, The Configuration of Real Polymer Chains, J. Chem. Phys. 17, 303 (1949)
2. ↑ И. М. Лифшиц, А. Ю. Гросберг, А. P. Хохлов, Объемные взаимодействия в статистической физике полимерной макромолекулы, УФН 127 (3) (1979)
3. ↑ См., например, A. Laukkanen, L. Valtola, F. M. Winnik, and H. Tenhu, Formation of Colloidally Stable Phase Separated Poly(N-vinylcaprolactam) in Water, Macromolecules 2004, 37, 2268—2274