На кафедре физики полимеров и кристаллов разработана компьютерная модель формирования частицы микрогеля
Ученые физического факультета создали компьютерную модель, с помощью которой можно изучать внутреннюю структуру, свойства и синтез частиц микрогеля. Результаты работы позволяют расширить область применения таких материалов. Статья появилась в журнале Scientific Reports. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.
Микрогели — это частицы нанометрового размера, состоящие из сшитых между собой полимерных цепочек. Такие вещества используются в медицине, потому что они изменяют свои размеры при нагревании до температуры человеческого тела. Такие микрогели могут входить в состав лекарственных капсул направленного действия (доставка лекарства происходит в заданную область организма, ткани или клетки) или специальных пластырей для ускорения заживления ран. Хотя учеными разных стран ведутся разработки по использованию микрогелей в медицине, фармацевтике, косметологии и легкой промышленности, их широкое применение ограничено. Компьютерная разработка команды физиков МГУ позволяет решить эту проблему.
«Теперь мы можем точно знать, сколько времени надо проводить реакцию синтеза микрогелей, какие вещества предпочтительнее использовать, как контролировать рост частиц, чтобы потом получить качественный готовый продукт», — объясняет руководитель проекта Елена Кожунова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник физического факультета МГУ.
Каждая молекула вещества (мономер) в процессе синтеза микрогеля образует структурное звено и может многократно соединяться с другими мономерами. Так происходит рост полимерных (то есть состоящих из мономеров) цепей, а из низкомолекулярного вещества формируется высокомолекулярное соединение, синтез которого получил название «полимеризация». Для микрогелей это достаточно долгий процесс. «Это сложные, плохо поддающиеся изучению водорастворимые системы, и делать выводы только по данным экспериментов непросто. Именно поэтому так важно создать компьютерную модель микрогелей, — пояснила Елена Кожунова, — это значительно упрощает работу». В зависимости от заданных параметров — растворителей, реактивов, концентрации исходных веществ — можно достаточно быстро получить результаты синтеза на мониторе.
Для создания модели была сформирована группа экспериментаторов и теоретиков, занимающихся компьютерным моделированием. Исследования велись параллельно, и в результате ученые-теоретики получили точную модель эксперимента, который проводили практики. Благодаря современным суперкомпьютерам (все расчеты выполнены на суперкомпьютере «Ломоносов-2») ученые впервые смогли достаточно подробно изучить и описать протекание всего процесса синтеза, итоговую структуру с точностью до связей между частицами. В специальных программах можно посмотреть на частицу микрогеля, проанализировать положения отдельных полимерных цепочек, предсказать необходимое время реакции в зависимости от заданных параметров.
С помощью новой компьютерной модели, как говорят ученые, можно регулировать процесс производства микрогелей в зависимости от нужных характеристик будущего продукта. А это, в свою очередь, открывает новые возможности применения микрогелей в различных отраслях науки и промышленности.
В разработке принимали участие ученые физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института химической физики имени Н.В. Семенова РАН.
Материал подготовлен в рамках проекта Наука-МГУ