Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На втором этапе реализации проекта с помощью численных методов и компьютерного моделирования были исследованы особенности структурирования в системах активных полимеров, в которых отдельные мономерные звенья обладают способностью преобразовывать внешнюю поглощенную энергию в направленное поступательное движение. Такие системы встречаются на различных пространственных масштабах, от наноразмерных активных агентов и комплексов биополимеров с ферментами, до роев макроскопических роботизированных объектов. Для широкого охвата всех возможных масштабов активных полимерных систем были использованы несколько моделей активности. Полимерные объекты и их поведение наименьшего масштаба рассчитывалось в рамках модели активных броуновских частиц в режиме сильного затухания, в которой направления активности отдельных агентов независимы, а инерционные силы и моменты сил не учитываются. Промежуточный пространственный масштаб исследовался с помощью двухтемпературной модели, в которой на активные агенты и мономерные звенья накладывался термостат с повышенной по сравнению с пассивными частицами температурой. Макромасштабные цепные системы были изучены с применением модели активных броуновских частиц с учетом поступательной и вращательной инерции, с использованием разработанной на предыдущем этапе выполнения проекта модели с сонаправленными активной силой и мгновенной скоростью. Была проведена серия комплексных работ по исследованию самоорганизации одиночных активных полимерных цепей с высокой степенью полимеризации на микро и макро масштабах, изучены кинетика и структурные характеристики растворов смесей активных полимеров и пассивных агентов, проанализированы и выявлены особенности микрофазного расслоения в расплавах диблок-сополимеров с активными и пассивными блоками, а также проведено исследование разветвленных звездообразных полимерных систем с активными мономерными звеньями. Расчеты проводились с использованием современного суперкомпьютерного комплекса мирового уровня “Ломоносов-2”, вычислительные мощности которого позволяют проводить анализ многомасштабных многочастичных моделей сложных систем, таких как растворы и расплавы активных полимеров и их смесей. На этом этапе выполнения проекта был впервые обнаружен и исследован индуцированный активностью переход клубок-глобула в одиночной активной полимерной цепи в модели активных броуновских частиц как с без учета, так и с учетом инерции мономерных звеньев. Обнаружена особая глобулярная конформация активного полимера со структурой ядро-оболочка, формирующаяся в результате расслоения полимерных сегментов на вытянутые и складчатые и показано, что температура таких сегментов является функцией локальной плотности. Универсальность данного феномена в том числе подтверждена обнаружением коллапса мультиблок сополимера в двухтемпературной модели активности. Впервые исследованы растворы различной концентрации смесей активных полимеров и пассивных агентов в модели сонаправленных активной силы и мгновенной скорости частиц и изучена кинетика перехода в упорядоченное состояния в зависимости от амплитуды активной силы и плотности системы. Скорость сонаправленного движения в упорядоченной системе немонотонно зависит от концентрации полимера в смеси, в тоже время именно полимер способствует появлению упорядочения в разбавленных растворах и подавляет возможность структурирования в более концентрированных системах. Предсказано множество стабильных структур, способных формироваться в расплавах активных диблок сополимеров в зависимости от отношения эффективных температур блоков и отношения их объемных долей. Впервые определены границы переходов между однородным расплавом и областью микрофазного расслоения в рамках двухтемпературной модели активности. Обнаружены везикулоподобные морфологии расплавов, размеров доменов которых зависит от отношения эффективных температур блоков. Исследованы конформационные и динамические характеристики одиночных разветвленных активных полимеров на примере звездообразных цепей в зависимости от температуры в системе, функциональности точки ветвления и амплитуды активной силы. Определено, что активность и увеличение числа “рук” в таких полимерах способствует асферичности их геометрии, а также ускоряет их диффузию.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На третьем этапе выполнения проекта с помощью компьютерного моделирования были изучены и выявлены фундаментальные закономерности и механизмы самоупорядочения в растворах и расплавах активных полимеров, в которых все или часть мономерных звеньев обладают способностью преобразовывать поступающую внешнюю энергию в направленное мотороподобное движение. Такие неравновесные объекты встречаются повсеместно как в микроскопических биологических средах, так и в синтетических макроскопических системах. Исследование активных полимеров является таким образом принципиальной фундаментальной задачей, необходимой как для понимания особенностей функционирования биологических полимерных комплексов и клеток, так и для разработки новых эффективных функциональных инструментов для доставки лекарств и современных роботизированных самоорганизующихся механизмов. Активные полимеры исследовались на нескольких масштабах с помощью моделей активных броуновских частиц, двухтемпературной модели и новой, разработанной нами, модели скоррелированных активностей, учитывающей влияние соседей частиц на их текущую активность. Расчеты проводились с использованием современного суперкомпьютерного комплекса мирового уровня “Ломоносов-2”, реализуемые вычислительные ресурсы которого дают возможность моделировать сложные активные полимерные системы на различных масштабах. Впервые была комплексно изучена самоорганизация и ее характерные закономерности в активных сополимерах с различной долей активных блоков в зависимости от состава цепи и характера распределения активных звеньев. Выявлен новый тип глобулярной конформации в таких полимеров и найдены оптимальные параметры, при которых она стабильна. Получено, что направленный контроль над структурой активных полимеров может быть осуществлен за счет добавления всего нескольких процентов активных звеньев. Найденные и описанные зависимости являются универсальными и качественно не зависят от конкретного механизма активности. Впервые обнаружен фазовый переход в звездообразных полимерах с учетом скоррелированной активности и найден новый набор стабильных дискретных конформаций в таких системах. Выявлена существенная роль взаимодействия активностей взаимодействующих мономерных звеньев и обнаружено новое динамическое упорядочение отдельных рук разветвленных полимеров. Впервые исследованы концентрированные растворы активных диблок сополимеров, построена серия фазовых диаграмм и определены принципиальные отличия расслоения, индуцированного активностью, от расслоения в классических полимерах для таких блочных сополимеров. Построена крупнозернистая модель расплава хроматина с правильным распределением активных и пассивных фрагментов, согласующаяся с экспериментальными данными и определена внутренняя структура такого расплава. Построена новая модель активных сополимеров, в которой воспроизводится гидродинамика полимерных растворов, что принципиально для точного предсказания свойств синтетических материалов.