Молекулярно-термодинамическое моделирование мицеллярных сеток, мезоструктурных полимерных гелей и мембран

Многие поверхностно-активные вещества (ПАВ) способны образовывать весьма длинные червеобразные мицеллы. Растворы, содержащие такие агрегаты, обнаруживают ряд интересных свойств (в частности, вязкоэластичность) и находят многочисленные применения в товарах повседневного спроса, медицине, нефтедобыче и др. Длинные червеобразные мицеллы могут переплетаться, ветвиться и образовывать трехмерные пространственные сетки (гели) или разрушаться в ответ на изменение солевого фона, pH и температуры, а также при введении в раствор различных добавок. Агрегативное поведение ПАВ в растворах определяется особенностями его молекулярной архитектуры.
Цель наших исследований - разработка молекулярно-термодинамических моделей для предсказания агрегативного поведения (критическая концентрация мицеллообразования, размеры и форма агрегатов, начало роста червеобразных мицелл и их ветвления, перколяция и проч.), а также фазового поведения раствора, исходя из молекулярных характеристик ПАВ. Особое внимание уделяется изучению упругости агрегатов в растворах ионных ПАВ (в частности, моделированию электростатического вклада в персистентную длину червеобразной мицеллы).

Блоксополимерные гели находят разнообразные применения в высоких технологиях, включая системы управляемой доставки лекарств, имплантацию тканей, биосенсоры, разделяющие мембраны, нанореакторы и проч. Богатые возможности варьировать химические функции, в сочетании с богатым морфологическим откликом на небольшие изменения внешних условий (рН, температура, солевой фон), объясняют весьма важную роль блоксополимерных гелей в дизайне "умных" материалов, способных менять свои свойства, реагируя на изменения окружающей среды. В некоторых случаях морфология играет решающую роль. Так, гироидная биконтинуальная морфология мягких контактных линз нового поколения является идеальной архитектурой для противоположно направленных потоков - слез (от глаза в атмосферу) и кислорода (от атмосферы к глазу), - которые необходимы для обеспечения высоких медицинских показателей контактной линзы.
Цель наших исследований - разработка молекулярно-термодинамических методов прогнозирования морфологии наноструктур и термодинамического поведения блоксополимерных гелей для технологических приложений. В круг рассматриваемых гелей входят как неионные, так и ионные (на основе сильных и слабых полиэлектролитов). Для описания микрофазного разделения используются аналитические версии теории самосогласованного поля.

Перфторсульфонатные полимерные мембраны (коммерческое название Nafion) широко применяются в топливных элементах и в медицине, благодаря химической инертности, термической устойчивости, высокой униполярной проводимости по отношению к катионам и совместимости с кровью. Мембраны Nafion неоднородны на мезомасштабе, причем характер неоднородности оказывает существенное влияние на их макроскопические свойства. Цель наших исследований - предсказать влияние наноструктуры на поведение мембраны, разработать молекулярно-термодинамические методы прогнозирования. Так, нами разработана молекулярно-термодинамическая модель мембран Nafion, описывающая наблюдаемый гистерезис изотерм ионного обмена.