Механическое разворачивание полимерной глобулы: теория и моделирование методом самосогласованного поля

А. А. Полоцкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений РАН. 199004 Санкт-Петербург, Большой пр., 31

В последнее время наблюдается бурное развитие методов манипулирования одиночными макромолекулами с помощью таких устройств, как атомно-силовой микроскоп, оптические или магнитные пинцеты. Благодаря этому у исследователей появилась возможность исследования механических свойств отдельных макромолекул. Для интерпретации полученных экспериментальных данных возникла необходимость в развитии теории деформации отдельных макромолекул.

Нами проведено теоретическое исследование механического растяжения глобулы, образованной одиночной полимерной цепью в плохом растворителе. Растяжение можно осуществить двумя способами: увеличивая расстояние между концами образующей глобулу макромолекулы или при приложении к её концам растягивающей силы. Эти способы деформации макромолекулы отвечают двум сопряженным термодинамическим ансамблям постоянного растяжения (D-ансамбль) и постоянной силы (f-ансамбль). Экспериментально эти ансамбли реализуются при различных режимах работы соответствующих приборов.

Для деформации глобулы в D-ансамбле проведено численное моделирование методом самосогласованного поля и построена простая количественная среднеполевая теория. Рассчитаны зависимости силы реакции от растяжения (кривые деформации), показано, что разворачивание глобулы происходит в 3 стадии, при этом образуется промежуточное микрофазно-разделенное состояние с глобулярной и растянутой микрофазами, сосуществующими в одной макромолекуле. В случае коротких цепей и/или умеренно плохого растворителя реализуется другой сценарий деформации, без образования промежуточного состояния.

При помощи преобразования Лежандра, связывающего D- и f- ансамбли, развитая теория и результаты моделирования для D-ансамбля были распространены на случай деформации глобулы приложенной силой. Показано, что в этом случае разворачивание глобулы происходит иначе, в частности, не образуется промежуточного микрофазно-разделённого состояния, и глобула скачкообразно разворачивается как целое при достижении силой определенного «порогового» значения. Кривые деформации для двух ансамблей совпадают в области малых и больших деформаций, но существенно различаются в промежуточной области. В пределе бесконечной длины цепи эти различия исчезают.

1. A.A. Polotsky, M.I. Charlaganov, F.A.M. Leermakers, M. Daoud, O.V. Borisov and T.M. Birshtein. Mechanical Unfolding of a Homopolymer Globule Studied by Self-Consistent Field Modeling. Macromolecules, 2009, 42, №14, 5360-5371.

2. A.A. Polotsky, M. Daoud, O.V. Borisov, T.M. Birshtein. A Quantitative Theory of Mechanical Unfolding of a Homopolymer Globule. Macromolecules, 2010, 43, №3, 1629-1643.

3. A.A. Polotsky, E.E. Smolyakova, O.V. Borisov, T.M. Birshtein. Mechanical Unfolding of a Homopolymer Globule: Applied Force versus Applied Deformation. Macromol. Symp. 2010, 296, 639–646.

4. A.A. Polotsky, E.E. Smolyakova, T.M. Birshtein. Theory of Mechanical Unfolding of Homopolymer Globule: All-or-None Transition in Force-Clamp Mode vs Phase Coexistence in Position-Clamp Mode. Macromolecules, 2011, 44, №20, 8270-8283.