Российские физики исследовали изменение формы сильно заряженной полимерной цепи в присутствии противоположно заряженных ионов. Они показали, что определяющую роль в этом играет размер заряженных ионов, называемых противоионами. Результаты исследования важны для того, чтобы строить новые модели в физике полимеров. Работа опубликована в журнале Soft Matter.

Полиэлектролиты — полимерные молекулы, несущие на своей поверхности большое число заряженных групп — распространены в природных и синтетических системах. Например, важнейшие биологические полиэлектролиты — это молекулы белков, РНК и ДНК. Их поведение в растворе, связанное с изменением конформации (формы) и физико-химических свойств, довольно сложно предсказать. Особенно остро эта проблема стоит в тех ситуациях, когда варьируются условия окружающей среды.

«Суть нашей работы заключается в исследовании конформационного поведения сильно заряженной полимерной цепи в присутствии противоионов различного размера. Было показано, что в малополярных растворителях размер противоиона играет значительную роль», — рассказывает Елена Крамаренко, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов отделения физики твердого тела физического факультета МГУ.

Гибкую сильно заряженную молекулу полиэлектролита моделировали при помощи метода молекулярной динамики. Оказалось, что в присутствии маленьких противоионов полимерная цепь сворачивается в глобулу (плотную шарообразную структуру), а в присутствии крупных — вытягивается. Такое поведение объясняется двумя причинами. Во-первых, с увеличением размера заряженной частицы вокруг нее возрастает исключенный объем, куда не могут попасть другие ее собратья. Во-вторых, важны и электростатические взаимодействия между заряженными молекулами системы. Крупные противоионы довольно слабо взаимодействуют с полиэлектролитом, а потому дрейфуют по его поверхности, не позволяя своим «рельсам» схлопнуться в клубок. Кроме того, при определенном содержании противоинов обоих размеров система представляется собой глобулу с ядром и оболочкой. Внутри находятся составляющие цепь мономеры и маленькие противоионы, а на поверхности — крупные противоионы. Получение каждого из состояний цепи определяется балансом объемных и электростатических взаимодействий.

«Изучение особенностей электростатических взаимодействий в заряженных полимерных системах является актуальной научной темой в физике полимеров. Конкуренция кулоновских (обусловленных зарядом) и некулоновских взаимодействий определяет реализуемое состояние полиэлектролитных цепей, матриц, гелей и цвиттер-полиионов, заряд которых скомпенсирован присутствием положительных и отрицательных групп. В дальнейшем планируется их моделирование и подробный анализ влияния широкого ряда параметров на структуры заряженных полимерных систем», — заключает Елена Крамаренко.