Компьютерное моделирование взаимодействия наночастиц и полимерных «щёток»

Ученые из Санкт-Петербурга (ИВС РАН, Университет ИТМО) в сотрудничестве с иностранными коллегами изучили с помощью методов компьютерного моделирования особенности взаимодействия наноколлоидных частиц и полимерных щеток (слоев, состоящих из полимерных молекул, “привитых” одним концом к поверхности). Обобщение результатов позволило создать простую математическую модель описывающую энергию взаимодействия полимерной щетки и наночастицы. С помощью этой модели, используя минимальные вычислительные ресурсы, можно получать ряд термодинамических параметров, ранее требовавших интенсивных вычислений.

Работа опубликована в высокорейтинговом журнале Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP).

Биополимерные щетки можно обнаружить на поверхности клеточных мембран, также они выстилают поверхности ядерных пор, сквозь которые осуществляется транспорт молекул между ядром эукариотической клетки и цитоплазмой.

Для моделирования полимерных щеток и их взаимодействия с наночастицами могут использоваться методы классической молекулярной динамики, методы Монте-Карло и численная теория самосогласованного поля. Последняя – выделяется крайне низкими требованиями к вычислительным ресурсам.

В отсутствие притяжения полимерных цепей щетки к поверхности частицы, щетка стремится вытолкнуть из себя находящиеся в ней частицы, что связано с возникающими стерическими ограничениями. С учетом вклада близкодействующих взаимодействий между наночастицей и образующим щетку полимером, показано, что внесение частицы в щетку может сопровождаться как проигрышем, так и выигрышем в сводобной энергии, что приводит или к обеднению, или к обогащению объема щетки наночастицами. Это, в свою очередь, определяет барьерные свойства полимерной щетки, т.е. ее способность или задерживать, или пропускать частицы в зависимости от их размера, формы и характера взаимодействия с цепями щетки.

Сделанные в работе теоретические предсказания относительно зависимостей энергии взаимодействия наноколлоидных частиц с полимерными щетками от набора молекулярно-архитектурных параметров и внешних условий позволят глубже понять реализуемые в природе механизмы селективного транспорта через биологические мембраны, а также могут помочь в дизайне наномембран с настраиваемой и управляемой проницаемостью.

#статьиQ1