Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В течение первого года работы по проекту нами были проведены вычислительные работы по всем указанным в заявке направлениям. Исследование процессов самоорганизации амфифильных гомополимеров проводились в рамках модели, в которой каждое мономерное звено представляется как А-graft-B гантелька и которая позволяет в полной мере описать амфифильность звена и эффективную поверхностную активность макромолекулы. Компьютерные эксперименты проводились методом молекулярной ланжевеновской динамики, методом диссипативной динамики частиц и сопровождались построением оригинальных теоретических моделей и аналитическими расчетами. Все компьютерные эксперименты были выполнены на суперкомпьютерном комплексе Ломоносов-2. Были изучены привитые к плоской непроницаемой поверхности слои амфифильных гомополимеров, которые в условиях высокой плотности прививки вытягиваются перпендикулярно плоскости прививки и в селективно плохом для боковых групп В растворителе формируют ламели из различных групп. Показано, что период таких ламелей зависит от расстояния между точками прививки и растет по мере ухудшения качества растворителя. Этот рост может быть плавным или резким с амплитудой до 20%. В последнем случае резкое изменение периода ламелей происходит послойно, что приводит к формированию промежуточной, гаражной структуры, в которой ламели с различными периодами сосуществуют и разделены по высоте. Показано, что изменение периода ламелей обусловлено резким изменением локальной плотности слоя и сопровождается изменением директора ламелей. Показано, что количественное определение периода структуры в зависимости от плотности прививки цепей возможно только в случае ячеек с определенным размером, зависящим от плотности пришивки. По результатам расчетов построена диаграмма состояний в переменных качество растворителя - расстояние между точками прививки, на которой выделены области беспорядка, ламелей, ламелей с большим и малым периодом и переходной гаражной области. Показано, что границы между состояниями могут быть определены количественно посредством расчета специальным образом нормированного совокупного структурного фактора, послойного анализа состояний привитого слоя: расчета послойного структурного фактора, определения послойного директора ламелей, расчета профиля плотности. Обнаружено, что жесткая прививка цепей способствует формированию вблизи плоскости прививки области с повышенной плотностью звеньев и препятствует полной перестройке ламелей (переходу от одного периода структуры к другому) по всей высоте привитого слоя. Впервые методом диссипативной динамики частиц были изучены растворы (2-5%) амфифильного гомополимера, помещенного в селективно плохой для боковых групп растворитель в зависимости от качества растворителя для групп основной цепи и боковых привесок. В соответствии с литературными экспериментальными данными были обнаружены сформированные из нескольких цепей везикулы (полые частицы с тонкой бислойной оболочкой - unilamellar vesicle), полые частицы с оболочкой из нескольких чередующихся слоев (multilamellar vesicle), перфорированные везикулы, тороиды, протяженные структуры (наночерви), плотные сферические частицы и их агрегаты. Впервые было показано, что макрофаза амфифильного гомополимера может иметь сложное структурированное состояние. Это может быть слоистая структура, в которой практически отсутствует растворитель, а различные группы объединены в чередующиеся слои, либо сложная биконтинуальная структура с довольно большим содержанием растворителя. Показано, что эти результаты могут быть описаны методами аналитической теории, в рамках оригинального предположения о двух существенно различных вкладах в поверхностную энергию. Так, к примеру, было показано, что при наличии несовместимости между гидрофобными и гидрофильными группами и очень плохом для гидрофобных групп растворителе возможна следующая серия переходов при изменении качества растворителя: сферические агрегаты, цилиндрические агрегаты, плоские слои (ламели) и макроскопическая фаза со слоистой микроструктурой. Результаты представлены в виде диаграмм состояний.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Методами компьютерного моделирования и аналитической теории были изучены процессы самосборки амфифильных А-graft-B гомополимеров, помещенных в селективный растворитель и в смесь двух несмешивающихся жидкостей. Впервые построена полная диаграмма состояний раствора амфифильного гомополимера в координатах параметров Флори-Хаггинса для различных групп мономерного звена, на которой выделены области стабильности и сосуществования сферических, цилиндрических и тороидальных структур, а также везикул с тонкой сплошной, перфорированной и вскрытой (open-month) оболочкой. Границы между областями определены количественно посредством расчетов таких характеристик как агрегационные числа, факторы формы и сферичности агрегатов, распределения локальных плотностей и т.д. Впервые показано, что амфифильные гомополимеры способны объединяться в растворимые сетчатые кластеры. Эффективными сшивками в таких кластерах служат домены сольвофобных групп, форма которых может быть сферической, продолговатой, цилиндрической. Показано, что растворимые кластеры могут иметь слоистую структуру или представлять собой совокупность перфорированных слоев из различных групп. Размер и упорядочение доменов внутри таких кластеров можно регулировать изменением сродства основной цепи макромолекулы с растворителем. Так, при сильной смешиваемости остова и растворителя домены внутри гелеобразной структуры сферические, в то время как при слабой смешиваемости – цилиндрические. Обнаружено, что сетчатые кластеры/гелеобразные структуры являются переходным состоянием между раствором набухших клубков и раствором плотных растворимых сферических и цилиндрических мицелл из нескольких макромолекул. Впервые показано, что агрегация амфифильных гомополимеров может проходить по разным сценариям: в одном случае наблюдается унимодальное распределение агрегатов по размерам, в другом – бимодальное распределение. Сценарии различаются также морфологиями получающихся структур и определяются эффективным качеством растворителя для групп остова макромолекулы. Впервые развита аналитическая теория для описания агрегации в разбавленном растворе амфифильных гомополимеров с растворимой основной цепью и несовместимыми с растворителем боковыми группами. Построены распределения агрегатов по размерам с учетом их различной геометрической формы. Было показано, что дискообразные агрегаты стабильны только при малых агрегационных числах на ограниченном интервале энергетических параметров взаимодействия. С использованием этой теоретической модели было обнаружено наличие двух режимов агрегации амфифильных гомополимеров, которые согласуются с результатами компьютерного эксперимента, и рассчитаны критические концентрации ассоциации исследуемых макромолекул с учетом качества растворителя для обоих типов групп полимера. Кроме того, объяснена нестабильность длинных червеобразных агрегатов в случае селективного (хорошего) для основной цепи растворителя. Впервые исследованы процессы адсорбции растворов амфифильных гомополимеров на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, селективно и симметрично взаимодействующих с разными группами (A-graft-B) цепи и проведено сравнение с поведением статистических, чередующихся и мультиблочных АВ сополимеров посредством расчета таких характеристик как плотность полимера на межфазной границе, распределение различных групп в ее окрестности, анализа конформационных свойств адсорбированных цепей и находящихся по соседству от границы свободных макромолекул . Впервые описанные ранее в литературе ненасыщенный режим, для которого характерен рост концентрации полимера в поверхностном слое пропорционально средней концентрации полимера в растворе, и режим перенасыщения, в котором этот рост замедляется или прекращается вовсе, выделены для амфифильного гомополимера и показано, что переход от одного режима к другому в этом случае характеризуется формированием слоя с наибольшей приповерхностной плотностью по сравнению со случаем всех исследованных AB сополимеров. Обнаружено, что амфифильные гомополимеры формируют на поверхности не только более плотные, но и наиболее тонкие слои с меньшим количеством петель и хвостов, чем все из исследованных сополимеров, и в их формировании участвуют наименьшее число макромолекул. Впервые показано, что слои адсорбированных на границе раздела двух жидкостей амфифильных гомополимеров имеют мембраноподобную ВААВ структуру, сердцевину которых составляют группы основной цепи, а боковые группы располагаются по обеим сторонам. Этот мембраноподобный слой сдвинут в область хорошего для остова растворителя, перетягивая значительную часть боковых групп в плохой для них растворитель. Впервые выявлена необычная особенность адсорбционных слоев амфифильных гомополимеров: практически все петли и хвосты находятся по одну сторону от интерфейса, в области совместимого с остовом растворителя. Впервые показано, что свободные, не адсорбированные, макромолекулы оказываются подвержены влиянию интерфейса и в непосредственной окрестности от него повторяют конформации адсорбированных, вытягиваясь параллельно границе двух жидкостей. Эти результаты опубликованы в двух статьях в журналах первой квартили Q1: 1. A. I. Buglakov, D. E. Larin, V. V. Vasilevskaya, Self -assembly in solutions of amphiphilic homopolymers: computer modeling and analytical theory, Macromolecules 53(12), 4783-4795 (2020). DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00572 (IF 5.918) 2. A. A. Glagoleva, V. V. Vasilevskaya, Multichain adsorption at fluid interfaces: amphiphilic homopolymers vs copolymers, Journal of Colloid and Interface Science 585, 408-419 (2021). DOI: 10.1016/j.jcis.2020.11.083 (IF 7.489)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Методами компьютерного моделирования и аналитической теории были изучены процессы самосборки амфифильных А-graft-B гомополимеров в смеси двух селективных растворителей и закономерности микроструктурирования наночастиц, декорированных амфифильными гомополимерами, а также исследованы условия формирования самозаживляющихся биомиметических гелей из макромолекул с амфифильными звеньями. Впервые показана и описана принципиальная разница в самосборке одиночной цепи амфифильного гомополимера в растворителях с зеркально-симметричной по отношению к основной цепи и группам подвески селективностью. Обнаружено, что помещенная в селективный для групп подвески растворитель макромолекула принимает вытянутую ожерельеподобную конформацию, в то время как в растворителе селективном для основной цепи полимерная цепь формирует рыхлую мультидоменную структуру. Впервые построена аналитическая модель для описания разницы в конформационном поведении амфифильного гомополимера в растворителях с обратной селективностью. Ключевой особенностью данной теоретической модели является учет ориентационной подвижности боковых групп макромолекул, что позволило обнаружить новый тип эффективного взаимодействия – ориентационно-индуцированное притяжение. Показано, что данное взаимодействие носит энтропийный характер и возникает из-за стремления групп подвесок увеличить число доступных состояний и что именно ориентационно-индуцированное притяжение позволяет макромолекуле формировать мультидоменную структуру. Впервые показано, что в смеси селективных растворителей амфифильный гомополимер претерпевает эффект сорастворимости, реализующийся при изменении состава смеси как переход от мультидоменной структуры к «ожерельеподобной» через промежуточную сильно набухшую клубковую конформацию. Данный эффект возникает из-за перераспределения растворителей вблизи полимера, что приводит к формированию «полярной» сольватационной оболочки, позволяющей полимеру растворяться в смеси двух растворителей. Показано, что особенностью данного эффекта является его зависимость от смешиваемости растворителей – эффект ослабевает при увеличении совместимости компонент. Обнаружено, что в режиме несмешивающихся растворителей амфифильный гомополимер захватывает растворитель с меньшей объемной долей в системе, формируя унимолекулярную структурированную частицу, морфология которой зависит от концентрации минорного компонента и его селективности. Показано, что частица может иметь структуру везикулы, монослойной везикулы и червеобразного агрегата, а переходы между ними можно контролировать, варьируя степень отталкивания между растворителями. Впервые были выявлены ключевые особенности микроструктурирования сферических наночастиц, декорированных амфифильным полимером с сольвофильной основной цепью и сольвофобными подвесками. Показано, что при ухудшении качества растворителя на поверхности таких частиц формируются плоские АВВА слои, структура и пространственная ориентация которых сильно зависит от размеров наночастицы и плотности прививки цепей. Впервые было обнаружено, что декорированная амфифильным гомополимером наночастица в селективном растворителе способна формировать мульти-лепестковую структуру, похожую на цветок. Комплексный анализ, включающий в себя аналитические и компьютерные методы, позволил определить ключевые особенности морфологии таких структур и определить необходимые условия для их формирования. Показано, что мульти-лепестковые частицы формируются только при высокой плотности пришивки, поверхностной активности амфифильного мономерного звена и селективности растворителя по отношению к основной цепи макромолекулы. Впервые построена аналитическая теория, описывающая микроструктурирование амфифильных гомополимеров, пришитых на поверхность сферической наночастицы в зависимости от размера частицы, плотности пришивки и селективности растворителя. Разработанная аналитическая модель описывает формирование мульти-лепестковой структуры на поверхности наночастицы и позволяет определить равновесное число бислоев-«лепестков» в зависимости от основных параметров системы. Впервые исследованы процессы самосборки самозаживляющихся биомиметических гелей в концентрированных растворах амфифильных гомополимеров и сополимеров с амфифильным звеном. Показано, что при высокой концентрации данные полимеры способны спонтанно собираться в физические гели с фибриллярной структурой субцепи. Описаны способы контроля над морфологией таких фибриллярных гелей. Получено, что качество растворителя влияет на пористость геля и на плотность и функциональность сшивок, но не влияет на диаметр субцепей. При этом толщину фибрилл можно варьировать изменением числа амфифильных мономеров, входящих в макромолекулы. Впервые исследовано влияние топологии макромолекул на морфологию фибриллярных гелей амфифильных гомополимеров. Показано, что циклизация линейных макромолекул приводит к смещению точки золь-гель перехода в область плохого растворителя. Кроме того, получено, что циклические амфифильные гомополимеры образуют более однородный гель с меньшим числом сшивок по сравнению с линейными аналогами. Обнаружено, что фибриллярные гели амфифильных гомополимеров имеют структуру, близкую к структуре внеклеточного матрикса, а наличие сольвофобных сшивок позволяет проявлять им свойства самозаживления при изменении внешних условий. Таким образом показано, что такие фибриллярные гели могут быть использованы как синтетические аналоги внеклеточного матрикса для биомедицинских приложений. Полученные результаты опубликованы в трех статьях в журналах первой квартили Q1: 1. A. I. Buglakov, D. E. Larin, V. V. Vasilevskaya, Orientation- and cosolvent-induced self-assembly of amphiphilic homopolymers in selective solvents, Polymer, 232, 124160 (2021). DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124160 (IF 4.43). 2. A. S. Ushakova, A. A. Lazutin, V. V. Vasilevskaya, Flowerlike multipetal structures of nanoparticles decorated by amphiphilic homopolymers, Macromolecules, 54 (13), 6285-6295 (2021). DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00467 (IF 5.985). 3. A. I. Buglakov, V. V. Vasilevskaya, Fibril assembly and gelation of macromolecules with amphiphilic repeating units, Langmuir, 37 (42), 12377-12387 (2021). DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01953 (IF 3.882).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методами компьютерного моделирования - ланжевеновская молекулярная динамика и диссипативная динамика частиц - были изучены процессы самосборки амфифильных А-graft-B гомополимеров, в плотнопривитых к сферической наночастице слоях, а также в растворителях в условиях, способствующих их фибриллизации и формированию надмолекулярных агрегатов и последующей сборке в фибриллярный гель. Расчеты были проведены на суперкомпьютерном комплексе мирового уровня Ломоносов-2 с использованием современного программного обеспечения. Впервые методами компьютерного моделирования были исследованы наночастицы, покрытые плотным слоем амфифильного гомополимера, помещенные в селективный растворитель, плохой для основной цепи и атермический для боковых привесок, в широком диапазоне изменения качества растворителя и поверхностной активности звена. Обнаружено, что по мере ухудшения качества растворителя макромолекулы объединяются в мультимолекулярные агрегаты и формируют сложные морфологические структуры на поверхности наночастицы. Показано, что в плохом растворителе макромолекулы способны объединяться в тонкие продолговатые агрегаты из нескольких цепей («шипы»), соединяться свободными концами цилиндрических агрегатов в петли, объединяться в тонкие расходящиеся в разные стороны от поверхности ламели («лепестки»), складываться плотным слоем на поверхности. Выделены пять характерных структур: «набухшая щетка»; «ежик», когда макромолекулы агрегируют в цилиндрические шипы из нескольких цепей; «ромашка», если тонкие агрегаты объединяются своими свободными концами; «многолепестковая структура», если макромолекулы собираются в тонкие ламели, вертикально расходящиеся с поверхности наночастицы; плотная оболочка. Определено два сценария самосборки многолепестковых структур. Первый сценарий реализуется при высокой поверхностной энергии звена (определяемой несовместимостью его различных групп), наблюдается при постепенном ухудшении качества растворителя и включает серию преобразований: набухшая щетка – ежик – ромашка – многолепестковая структура. Вo втором сценарии, напротив, качество растворителя остается неизменно плохим, последовательно ухудшается совместимость групп мономерного звена и плотная оболочка, сформированная звеньями из энергетически совместимых групп, распадается на совокупность лепестков, когда параметр несовместимости становится выше определенного значения. Показано, что число лепестков, шипов, петель можно контролировать, варьируя качество растворителя и параметры взаимодействия групп звена. Впервые обнаружен и описан эффект ветвления, состоящий в росте полного числа цилиндрических агрегатов - «шипов» с ростом расстояния от поверхности наночастицы. Показано, что эффект ветвления обусловлен уменьшением эффективной плотности прививки, и способствует формированию петель между соседними агрегатами. Впервые была построена диаграмма состояний наночастиц, покрытых амфифильным гомополимером в селективном растворителе, выделены области стабильности наиболее характерных структур, границы между которыми были определены в рамках специально разработанной схемы анализа. Схема анализа включала расчет агрегационного числа, а также предложенных нами впервые параметров: коэффициента ветвления β и параметра относительной ориентации η мономерных звеньев. Впервые в рамках компьютерных исследований было обнаружено явление самоорганизации фибриллярных нитей в жгуты из нескольких агрегатов – фибры и показано, что формирование такого рода многонитевых агрегатов может быть обусловлено комплексным балансом энергетических взаимодействий между различными группами макромолекул с амфифильностью на уровне отдельных мономерных звеньев. Впервые исследованы растворы амфифильных гомополимеров в условиях, способствующих их самосборке в фибриллярные агрегаты и последующей ассоциации в фибры. Показано, что макромолекулы формируют фибриллярные агрегаты со структурой ядро-оболочка, поверхность которых стабилизируется за счет групп основной цепи, а ядро составляют частицы подвески при большой степени несмешиваемости подвесок с растворителем. Впервые обнаружено эффективное притяжения между фибриллами и формирование долгоживущих физических сшивок, индуцирующее образование фибр - агрегатов, состоящих из отдельных соединенных фибрилл и сосуществующих с последними. Показано, что число формирующихся физических сшивок растет с увеличением эффективного отталкивания между группами подвесок, и существует критическое значение данного параметра, при котором возможный диаметр фибры ограничен кинетическими причинами.