ENG
РУС
Поиск
Меню
О журнале
Политика открытого доступа
Редакционная коллегия
Редакционная политика
Редакционная этика
Правила рецензирования статей
Требования к оформлению статей
Формы представляемых документов
Рекомендации по оформлению ссылок на наш журнал
Редакция
Информация для подписчиков
Аннотации номера
Список авторов
Выпуски
Лицензионное соглашение
Порядок работы с персональными данными
Публикации
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры













































doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-3-396-405

УДК 539.2:541.68

Конформационные свойства полимерных щеток из гребнеобразных макромолекул в условиях сильного растяжения на кубической решетке

Лукиев И.В., Михайлов И.В., Борисов О.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Лукиев И.В., Михайлов И.В., Борисов О.В. Конформационные свойства полимерных щеток из гребнеобразных макромолекул в условиях сильного растяжения на кубической решетке // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 3. С. 396–405. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-3-396-405


Аннотация
Введение. Гребнеобразные полимеры, благодаря своей разветвленной структуре и ряду уникальных физико- химических свойств, используются для модификации различных поверхностей. При достаточно густой прививке макромолекулы образуют однородную полимерную щетку, полностью покрывающую модифицируемую поверхность. Полимерные щетки из гребнеобразных полимеров находят применение в качестве биомедицинских покрытий, смазочных материалов, сенсоров, систем адресной доставки лекарств и многих других. Ввиду широкой востребованности гребнеобразных полимерных покрытий, практически значимым является предсказание их конформационных свойств в зависимости от архитектуры прививаемых полимеров. Щетки из гребнеобразных полимеров достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально при малых плотностях прививки. Однако отсутствуют аналитические модели количественно описывающие свойства этих щеток в условиях больших плотностей прививки при растяжении остовов макромолекул, близких к предельным. Метод. Для исследования конформационных свойств плоских полимерных щеток из гребнеобразных полимеров были применены два взаимодополняющих подхода: аналитический и численный методы самосогласованного поля. Первый метод применялся для аналитического описания профиля объемной доли мономерных звеньев привитых макромолекул при их растяжении на объемно-центрированной кубической решетке, второй — для проверки предложенной аналитической модели путем сравнения ее результатов с результатами численных расчетов на простой кубической решетке. В обоих подходах использовалась огрубленная крупнозернистая модель полимерных щеток, в которой минимальными структурными единицами являлись мономерные звенья привитого полимера и молекулы растворителя. Основные результаты. Впервые получена универсальная аналитическая формула, описывающая профиль объемной доли мономерных звеньев привитых гребнеобразных макромолекул в широком интервале значений плотности прививки в условиях атермического низкомолекулярного растворителя. Проведена количественная оценка средней толщины полимерных щеток и средней плотности мономерных звеньев при разной эффективной плотности прививки гребнеобразных полимеров, соответствующей отношению действительной плотности прививки к максимально возможной плотности прививки макромолекул с заданной архитектурой, а также при разной разветвленности этих макромолекул. Обсуждение. Показано, что в условиях атермического растворителя с ростом степени разветвленности привитых макромолекул при фиксированных плотности прививки и контурной длине основной цепи макромолекул увеличивается средняя толщина полимерной щетки и уменьшается средняя плотность мономерных звеньев. При этом при высоких значениях разветвленности привитых цепей зависимость средней плотности стремится к линейной зависимости от эффективной плотности прививки. Предложенная аналитическая модель растяжения на объемно-центрированной кубической решетке показала высокое согласие с данными, полученными численным моделированием на простой кубической решетке. Результаты исследования позволяют прогнозировать конформационные свойства полимерных щеток в условиях высокой плотности прививки и степени разветвленности привитых гребнеобразных макромолекул.

Ключевые слова: объемно-центрированная кубическая решетка, гребнеобразные макромолекулы, метод самосогласованного поля

Список литературы
  1. Alexander S. Adsorption of chain molecules with a polar head a scaling description // Journal de Physique. 1977. V. 38. N 8. P. 983–987. https://doi.org/10.1051/jphys:01977003808098300
  2. de Gennes P.G. Conformations of polymers attached to an interface // Macromolecules. 1980. V. 13. N 5. P. 1069–1075. https://doi.org/10.1021/ma60077a009
  3. Schüwer N., Klok H.A. A potassium‐selective quartz crystal microbalance sensor based on crown‐ether functionalized polymer brushes // Advanced Materials. 2010. V. 22. N 30. P. 3251–3255. https://doi.org/10.1002/adma.201000377
  4. Sato T., Ruch R. Stabilization of Colloidal Dispersions by Polymer Adsorption. Marcel Dekker Inc., 1980. 176 p.
  5. Klein J., Perahia D., Warburg S. Forces between polymer-bearing surfaces undergoing shear // Nature. 1991. V. 352. N 6331. P. 143–145. https://doi.org/10.1038/352143a0
  6. Kreer T. Polymer-brush lubrication: a review of recent theoretical advances // Soft Matter. 2016. V. 12. N 15. P. 3479–3501. https://doi.org/10.1039/C5SM02919H
  7. Ohm C., Welch M.E., Ober C.K. Materials for biosurfaces // Journal of Materials Chemistry. 2012. V. 22. N 37. P. 19343–19347. https://doi.org/10.1039/C2JM90126A
  8. Synytska A., Svetushkina E., Martina D., Bellmann C., Simon F., Ionov L., Stamm M., Creton C. Intelligent materials with adaptive adhesion properties based on comb-like polymer brushes // Langmuir. 2012. V. 28. N 47. P. 16444–16454. https://doi.org/10.1021/la303773b
  9. Zhai G., Cao Y., Gao J. Covalently tethered comb‐like polymer brushes on hydrogen‐terminated Si (100) surface via consecutive aqueous atom transfer radical polymerization of methacrylates // Journal of Applied Polymer Science. 2006. V. 102. N 3. P. 2590–2599. https://doi.org/10.1002/app.24698
  10. Naso M.F., Zimmermann D.R., Iozzo R.V. Characterization of the complete genomic structure of the human versican gene and functional analysis of its promoter // Journal of Biological Chemistry. 1994. V. 269. N 52. P. 32999–33008. https://doi.org/10.1016/S0021-9258(20)30090-9
  11. Wu Y.J., La Pierre D.P., Wu J., Yee A.J., Yang B.B.The interaction of versican with its binding partners // Cell Research. 2005. V. 15. N 7. P. 483–494. https://doi.org/10.1038/sj.cr.7290318
  12. Klein J. Molecular mechanisms of synovial joint lubrication // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2006. V. 220. N 8. P. 691–710. https://doi.org/10.1243/13506501JET143
  13. Chen M., Briscoe W.H., Armes S.P., Klein J. Lubrication at physiological pressures by polyzwitterionic brushes // Science. 2009. V. 323. N 5922. P. 1698–1701. https://doi.org/10.1126/science.1169399
  14. Seror J., Merkher Y., Kampf N., Collinson L., Day A.J., Maroudas A., Klein J. Articular cartilage proteoglycans as boundary lubricants: structure and frictional interaction of surface-attached hyaluronan and hyaluronan–aggrecan complexes // Biomacromolecules. 2011. V. 12. N 10. P. 3432–3443. https://doi.org/10.1021/bm2004912
  15. Бирштейн Т.М., Караев А.В. Конформация макромолекул во взаимодействующих плоских слоях привитых цепей // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1987. Т. 29. № 9. С. 1882–1887.
  16. Cosgrove T., Heath T., Vanlent B., Leermakers F., Scheutjens J. Configuration of terminally attached chains at the solid/solvent interface: self-consistent field theory and a Monte Carlo model // Macromolecules. 1987. V. 20. N 7. P. 1692–1696. https://doi.org/10.1021/ma00173a041
  17. Скворцов А.М., Павлушков И.В., Горбунов А.А. О структуре монослоя привитых полимерных цепей // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1988. Т. 30. № 3. С. 503–508.
  18. Скворцов А.М., Павлушков И.В., Горбунов А.А., Жулина Е.Б., Борисов О.В., Прямицын В.А. Структура густо привитых полимерных монослоев // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1988. Т. 30. № 8. С. 1615–1622.
  19. Жулина Е.Б., Прямицын В.А., Борисов О.В. Структура и конформационные переходы в слоях привитых полимерных цепей. Новая теория // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1989. Т. 31. № 1. С. 185–194.
  20. Milner S.T., Witten T.A., Cates M.E. A parabolic density profile for grafted polymers // Europhysics Letters. 1988. V. 5. N 5. P. 413–418. https://doi.org/10.1209/0295-5075/5/5/006
  21. Milner S.T., Witten T.A., Cates M.E. Theory of the grafted polymer brush // Macromolecules. 1988. V. 21. N 8. P. 2610–2619. https://doi.org/10.1021/ma00186a051
  22. Pickett G.T. Classical path analysis of end-grafted dendrimers: dendrimer forest // Macromolecules. 2001. V. 34. N 25. P. 8784–8791. https://doi.org/10.1021/ma010917y
  23. Zhulina E.B., Mikhailov I.V., Borisov O.V. Theory of mesophases of triblock comb-shaped copolymers: effects of dead zones and bridging // Macromolecules. 2022. V. 55. N 14. P. 6040–6055 https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00418
  24. Polotsky A.A., Leermakers F.A.M.,Zhulina E.B.,Birshtein T.M.On the two-population structure of brushes made of arm-grafted polymer stars // Macromolecules. 2012. V. 45. N 17. P. 7260–7273. https://doi.org/10.1021/ma300691b
  25. Zhulina E.B., Leermakers F.A.M., Borisov O.V. Theory of Brushes Formed by Ψ-Shaped Macromolecules at Solid–Liquid Interfaces // Langmuir. 2015. V. 31. N 23. P. 6514–6522. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b00947
  26. Zhulina E.B., Leermakers F.A.M., Borisov O.V. Ideal mixing in multicomponent brushes of branched polymers // Macromolecules. 2015. V. 48. N 21. P. 8025–8035. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5b01722
  27. Shim D.F.K., Cates M.E. Finite extensibility and density saturation effects in the polymer brush // Journal de Physique. 1989. V. 50. N 24. P. 3535–3551. https://doi.org/10.1051/jphys:0198900500240353500
  28. Amoskov V.M., Pryamitsyn V.A. Theory of monolayers of non-Gaussian polymer chains grafted onto a surface. Part 1. — General theory // Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1994. V. 90. N 6. P. 889–893. https://doi.org/10.1039/FT9949000889
  29. Амосков В.М., Прямицын В.А. Теория привитых полимерных монослоев. Модели цепей с конечной растяжимостью // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1995. Т. 37. № 7. С. 1198–1205.
  30. Scheutjens J., Fleer G.J. Statistical theory of the adsorption of interacting chain molecules. 1. Partition function, segment density distribution, and adsorption isotherms // Journal of Physical Chemistry. 1979. V. 83. N 12. P. 1619–1635. https://doi.org/10.1021/j100475a012
  31. Scheutjens J., Fleer G.J. Statistical theory of the adsorption of interacting chain molecules. 2. Train, loop, and tail size distribution // The Journal of Physical Chemistry. 1980. V. 84. N 2. P. 178–190. https://doi.org/10.1021/j100439a011
  32. Semenov A.N. Contribution to the theory of microphase layering in block-copolymer melts // JETP. 1985. V. 61. N 4. P. 733–742.
  33. Leuty G.M., Tsige M.,Grest G.S., Rubinstein M. Tension amplification in tethered layers of bottle-brush polymers // Macromolecules. 2016. V. 49. N 5. P. 1950–1960. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5b02305
  34. Викторович И. Теория изгибной жесткости полимерных щеток из привитых дендронов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт высокомолекулярных соединений российской академии наук, 2018, [Электронный ресурс]. URL: https://macro.ru/OLD_DOC/council/dis/MihailovIV/MihailovIV_dis.pdf (дата обращения: 10.01.2025).
  35. Лукиев И.В., Михайлов И.В., Борисов О.В. Влияние качества растворителя на трибологические свойства полимерных щеток // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24. № 5. С. 751–757. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-5-751-757
  36. Fleer G.J., Cohen Stuart M.A., Scheutjens J.M.H.M., Cosgrove T., Vincent B. Polymers at Interfaces. Springer Science & Business Media, 1993. 496 p.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2025 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика