Фізика м'якої речовини

Фізика м’якої речовини – відносно новий напрямок природознавства, який знаходиться на передньому краю розвитку сучасних новітніх технологій практично в усіх сферах життєдіяльності людини і, як наслідок, дуже інтенсивно розвивається. Поняття м’якої речовини виникло більш ніж 30 років тому і поступово зайняло вагоме місце у фізиці конденсованих систем. Цим терміном окреслюють тепер широке коло об’єктів, що раніше традиційно відносились до сфери хімічних, біологічних або матеріалознавчих досліджень.

Інститут є базовою установою НАН України із координації досліджень в області фізики м’якої речовини і бере активну участь у роботі Наукової ради з проблеми “Фізика м’якої речовини” при Відділенні фізики і астрономії НАН України. В рамках різних наукових програм та проектів в ІФКС НАН України проводиться широкий спектр фундаментальних теоретичних та комп’ютерних досліджень, які мають за мету зрозуміти фізичні аспекти феномену м’якої речовини (М.Ф.Головко, І.М.Мриглод, А.Д.Трохимчук, Ю.В.Калюжний, С.П.Глушак, Ю.Я.Дуда, Я.М.Ільницький, Р.О.Соколовський, А.Б.Баумкетнер, В.І.Капко, Т.М.Брик). Серед широкого класу систем, які відносяться до об’єктів м’якої речовини, вченими інституту більш детально вивчаються наступні:

Колоїдні дисперсні системи, характерною ознакою яких є одночасна присутність частинок, розміри яких відносяться до різних просторових масштабів – молекулярного, субмікроскопічного або нанометрового та макроскопічного. Для опису таких систем запропоновано загальну теорію розрахунку ефективних взаємодій, що враховує специфіку, пов’язану з одночасною присутністю кількох масштабів довжин. Показано, що як відхилення від сферичної форми менших частинок, так і збільшення полідисперсності їх розмірів приводить до послаблення структурного відштовхування між поверхнями великих частинок. Проведено узагальнення методів теорії рідин з метою опису фазової поведінки полідисперсних колоїдних систем. Показано, що полідисперсність розширює область фазового співіснування у порівнянні з монодисперсними системами.

Для електролітичних колоїдних розчинів сформульовано молекулярну теорію гідратаційних взаємодій та запропоновано механізм утворення тонких колоїдних плівок, який пояснює природу спостережуваного експериментально явища стрибкоподібного зменшення товщини колоїдних плівок. Отримані результати застосовано для інтерпретації експериментів зі стійкості сурфактантних іонно-міцелярних розчинів.

Рідкокристалічні системи: Метод інтегральних рівнянь Орнштейна-Церніке узагальнено для опису властивостей нематичних рідкокристалічних систем та колоїдно-нематичних сумішей. Запропоновано ряд нових молекулярних моделей, у рамках яких досліджено особливості нематичних фазових переходів. Розвинуто молекулярну теорію ефективних міжколоїдних взаємодій та взаємодії колоїдів із поверхнею у нематичних розчинах при наявності зовнішніх полів.

Проводяться теоретичні дослідження сольватаційних процесів у полярних нематичних рідких кристалах. Зокрема, розробляється теорія для опису реакцій переносу електрона у рідких кристалах. Зроблено передбачення, що в повільно релаксуючих рідкокристалічних системах реакція електронного переносу може відбуватися як в ергодичному, так і в неергодичному режимах.

Проводиться комп’ютерне моделювання орієнтаційного впорядкування малих молекул (таких як, ацетилен, пропин, бензол, бетин та інші) у нематичному рідкому кристалі. Отримані результати є надзвичайно корисними для розробки теоретичних моделей і використовуються нині для інтерпретації даних експериментальних вимірювань методом ядерного магнітного резонансу.

Метод молекулярної динаміки застосовується до вивчення процесу релаксації рідкокристалічного дендримера третьої генерації в ізотропному, нематичному та смектичному А розчиннику. В орієнтаційно впорядкованих фазах спостережено суттєву анізотропію конформації дендримера. Об'ємне впорядкування розплаву із 100 рідкокристалічних дендримерів вивчено за допомогою огрубленої молекулярної динаміки. Отримано ефект просторової самоорганізації розплаву у смектичну А та стовпцеву фази при прикладенні зовнішнього орієнтуючого поля із відповідною симетрією, що підтверджує взаємозв'язок між формою макромолекули і симетрією фази, який спостерігається експериментально.  

Встановлено особливості внутрішньої структури та динаміки рідкокристалічних полімерів із бічними ланцюжками в ізотропній, полі- та монодоменній смектичних фазах. Використовуючи класично-механічну модель для опису фотоізомеризації азобензинових барвників та метод молекулярної динаміки виконано мікроскопічний аналіз  фотоіндукованих деформацій а азобензино-вмісних полімерних плівках.

Макромолекулярні системи, серед яких слід виділити полімерні та біополімерні розчини, полімерні розплави та колоїдно-полімерні суміші. Проводяться теоретичні та комп’ютерні дослідження структурних властивостей систем із полімерів складної топології, таких як зіркові полімери у доброму розчиннику та розплави зіркових молекул.

Методами ab initio молекулярної динаміки та інтегральних рівнянь проводяться дослідження гідратної структури ланцюгових молекул із гідрофобними та гідрофільними групами, що є надзвичайно важливо для аналізу конформаційних властивостей біополімерів.

Розробляється теорія для розрахунків фазової діаграми полідисперсної суміші колоїдів та ланцюгових молекул. У рамках цих досліджень проведено аналіз повної фазової діаграми суміші, який включає розрахунок бінодалей, кривих точок роси та пароутворення, а також фракціювання співіснуючих фаз. Показано, що колоїдно-полімерні системи розділяються у фазу збагачену колоїдними частинками та густу полімерну фазу.

Самоасоційовані системи (self assembling systems) виникають при розчиненні амфіфільних молекул у водно-неполярних розчинах і характеризуються широкою різноманітністю фазових структур, найпростішими з яких є міцели. Сформульовано просту доступну для теоретичного опису модель обернених міцел, яка передбачає присутність білка в міцелі. Запропонована модель використана для аналізу результатів експериментальних вимірювань розчинення молекул цитохрому в обернених водних міцелах. Отримано зсув точки перколяції в область малих концентрацій міцел і вказано на існування порогового значення концентрації. Вивчаються також проблеми розчинення неполярних молекул у прямих міцелах з метою їх транспорту у водних середовищах, включаючи цілеспрямовану доставку ліків у живих організмах.

Методом дисипативної динаміки проводиться комп’ютерне моделювання морфологічних особливостей та молекулярної конформації сумішей ланцюгових, зіркових та гребінчастих ко-полімерів із різними видами внутрішніх розгалужень. В залежності від архітектури молекул та концентрації виявлено широку різноманітність фазових структур, включаючи кубічну, гексагональну, гіроїдну, ламелярну, біконтинуальну (лабіринтну) та інші фази.

Біологічні системи включають такі об'єкти як білки та мембрани. Проведено дослідження проблеми згортання модельного протеїну в структурний стан, що складається з трьох альфа спіралей. На молекулярному рівні вивчено проблему ранньої стадії агрегації білків, на якій утворюються олігомери відносно малих розмірів.

Проводяться числові дослідження структури та реакції згортання різних модифікацій спеціального типу білка – амилоїд бета пептиду (Ab), який має відношення до хвороби Альцгаймера. У цьому напрямку, вперше отримано мікроскопічну структуру Ab білків, які безпосередньо синтезуються при хворобі Альцгаймера. Надійність отриманих результатів було підтверджено порівнянням із експериментальними вимірюваннями перетину розсіювання у гелієвому газі.

Проводяться дослідження ефективної взаємодії між білковими молекулами, яка виникає після додавання до системи нейтральних або заряджених олігомерних молекул різної довжини. Такі дослідження представляють прикладний інтерес, оскільки присутність олігомерів понижує коагуляційну стійкість протеїнового розчину.