Repository logo

Browsing by Author "Danel, Zoriana"

  • Thumbnail Image
    Item
    Badanie rozcieńczonych roztworów pierścieniowych oraz gwiaździstych polimerów w ograniczonych przestrzeniach
    (Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Hałun, Joanna; Danel, Zoriana; Ciach, Alina; Góra, Paweł F.
    Przedmiotem badań niniejszej pracy był zarówno rozcieńczony roztwór idealnych polimerów pierścieniowych, jak i polimerów gwiaździstych złożonych z czterech ramion f=4 w Ө-rozpuszczalniku zanurzonym w ograniczonej geometrii szczeliny dwóch równoległych ścianek, a także dużych i małych koloidalnych cząstek o różnych właściwościach adsorbująco-odpychających w stosunku do polimeru. Celem pracy było przedstawienie jaki wpływ na wielkości fizyczne tj: siła oddziaływania, potencjał oddziaływania, czy profil gęstości monomerów, które powstają przez umieszczenie roztworu polimeru w ograniczających go powierzchniach będzie miała zmiana topologii polimeru. W ramach Gaussowskiego modelu przy wymiarowości przestrzeni d=3 oraz uwzględnieniu analogii pomiędzy ferromagnetykami a polimerami zaproponowaną przez de Gennesa [1] zostały przeprowadzone analityczne obliczenia na siłę oddziaływania i potencjał oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu polimerów pierścieniowych oraz polimerów gwiaździstych w zamkniętej szczelinie dwóch równoległych ścianek typu cienkich warstw. Każda ze ścianek w cienkiej warstwie ma inne właściwości adsorbująco-odpychające w stosunku do polimeru. Warunek brzegowy Dirichleta-Dirichleta odpowiada sytuacji, kiedy obie powierzchnie są odpychające, natomiast warunek brzegowy Dirichleta-Neumanna opisuje przypadek mieszanych ścianek, czyli kiedy jedna z nich jest odpychająca a druga obojętna. Ponadto biorąc pod uwagę aproksymację Derjaguina [2], która opisuje roztwór dużych koloidalnych cząstek zostały przeprowadzone obliczenia dla siły oddziaływania i profilu gęstości monomerów dla wyżej wymienionych przypadków. Poza tym przeprowadzono obliczenia profilu gęstości monomerów warstwy i uniwersalnej amplitudy dla powyższych topologii polimeru znajdujących się w zamkniętej przestrzeni cienkich warstw, jak również koloidalnych cząstek dużego oraz małego rozmiaru. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zarówno zmiana architektury, jak i konformacja polimeru wpływa na właściwości fizyczne makrocząsteczki będącej w szczelnie dwóch równoległych ścianek, a także w roztworze dużych i małych koloidalnych cząstek. Siła oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu idealnych gwiaździstych polimerów w obu przypadkach jest przyciągająca, ale większa niż odpowiednie siły dla idealnych liniowych, a także pierścieniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch odpychających powierzchni. Należy wspomnieć, że siła oddziaływania w przypadku mieszanych ścian, czyli gdy jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna, jest mniejsza niż w przypadku dwóch powierzchni odpychających i wykazuje odwrotne zachowanie w przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów w ograniczonej geometrii dwóch równoległych ścianek o mieszanych powierzchniach. Maksimum gęstości monomerów w warstwie, gdy obie powierzchnie są odpychające znajduje się w środku szczeliny przy L/2. Natomiast, jeżeli jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna to maksimum gęstości monomerów w warstwie usytuowane jest w pobliżu odległej ścianki z powierzchnią obojętną, przy której występuje próg adsorpcji. Bardziej skomplikowanej strukturze topologicznej odpowiada mniejszy promień bezwładności, co prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie wraz ze wzrostem złożoności struktury topologicznej w obszarze między dwiema odpychającymi powierzchniami, jak również w pobliżu powierzchni, przy której ma miejsce tzw. próg adsorpcji, czyli w sytuacji mieszanych ścianek. Nasuwa się następujący wniosek, że skomplikowana struktura topologiczna polimerów pierścieniowych zapobiega ich adsorpcji na powierzchni i prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie, w pobliżu powierzchni adsorpcyjnej. W relacji gęstość-siła niezależnie od topologii polimeru w warstwie stosunek uniwersalnej amplitudy wynosi B=2, pomimo że wartość profilu gęstości monomerów, jak również siły dla polimerów liniowych i pierścieniowych są różne. Profil gęstości monomerów dla rozcieńczonego roztworu polimerów gwiaździstych f=4 przy powierzchni odpychającej jest mniejszy niż polimerów liniowych i pierścieniowych, gdy ścianka znajduje się przy progu adsorpcji sytuacja jest odwrotna. Gęstość monomerów w warstwie zależy zarówno od promienia bezwładności polimerów pierścieniowych, jaki i odległości między ściankami L/R_x , gdzie L-szerokość szczeliny, a R_x to składowa iksowa promienia bezwładności. W przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów ograniczonych jedną lub dwoma koloidalnymi cząstkami na wpływ gęstości monomerów warstwie ma wielkości mezoskopowej cząstki, jak również odległość a między ścianą a cząstką lub między dwiema cząstkami a/R_x . Zależność między profilami gęstości monomerów dla polimeru pierścieniowego z węzłem typu 0_1 do profilu gęstości monomerów idealnych liniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch równoległych ścian o powierzchniach odpychających, a także jednej odpychającej a drugiej obojętnej jest równa jeden [3]. Szczególną rolę w profilach gęstości monomerów w ograniczonych geometriach odgrywają efekty entropowe oraz topologia polimeru. W przypadku małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki w pobliżu ścianki z powierzchnią obojętną, otrzymujemy, że siła jest równa zeru dla rozcieńczonego roztworu liniowych łańcuchów polimerowych, co wskazuje, że na rozcieńczony roztwór polimeru nie wpływa obecność ścianki. Jeżeli rozważamy rozcieńczony roztwór idealnych pierścieniowych łańcuchów polimerowych zamkniętych w roztworze małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki przy ścianie z powierzchnią obojętną obserwujemy, że polimer adsorbuje się na ścianie, co prowadzi do odpychania między małą, koloidalną cząstką a ścianką. Natomiast, w sytuacji gdy ścianka jest odpychająca (warunek brzegowy Dirichleta) pokazuje, że odpowiednia siła oddziaływania staje się przyciągająca. Oznacza to, że zarówno liniowy, jak również pierścieniowy polimer znajdujący się w przestrzeni między małą cząstką a ścianą z powierzchnią odpychającą posiada tendencję do uciekania z ograniczającego go obszaru, co prowadzi do niezrównoważonego ciśnienia na zewnątrz i przyciągania między małą, koloidalną cząstką lub nanocząstką a ścianą. Badanie adsorpcji polimerów na powierzchniach oraz w roztworach dużych, jak i małych koloidalnych cząstek lub nanocząstek cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na szerokie praktyczne zastosowanie w mikro i nanoelektronice, a także medycynie w celu lepszego zrozumienia systemów dostarczania leków, czy też zapobieganie fuzji wirusa z komórkami gospodarza. [1] deGennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics; Cornell University Press, 1979. [2] Derjaguin, B.V. Kolloid-Z. 1934,69, 155. [3] Matthews R.; Louis A.A.; Yeomans J.M. Mol. Phys. 2011, 109, 1289