В Университете Фудань смоделировали синтез термогеля от атомов до реактора
Многомасштабный расчетный метод связал квантовую химию с промышленным реактором для точного синтеза термогелей на ПК.
Исследователи из Университета Фудань разработали стратегию многомасштабного моделирования для синтеза сложных полимеров от квантового уровня до параметров химического реактора, сообщает журнал 中国科学通报：英文版 sciencedirect.com
中国科学通报：英文版sciencedirect.comОткрыть источник ↗. Работоспособность подхода проверили на амфифильном сополимере поли(лактид-ко-гликолид)-б-поли(этиленгликоль)-б-поли(лактид-ко-гликолид) (PLGA-PEG-PLGA), который образует гидрогель при нагревании. Все расчеты в рамках предложенной схемы авторы провели на обычном персональном компьютере.
Свойства термогелей зависят от молекулярной массы, последовательности звеньев в цепи и характера самосборки, что затрудняет их сквозное компьютерное проектирование. Предложенная схема «4+1» объединяет теорию функционала плотности, кинетическое моделирование методом Монте-Карло, динамический метод Монте-Карло и технологический расчет реакционных потоков с одним калибровочным экспериментом. Этот эксперимент связывает рассчитанные квантовохимические энергетические барьеры с кинетическими константами скоростей реакций, а крупнозернистая модель переводит полимерные цепи в расчетные структуры для симуляции макроповедения.
Кинетика синтеза
В ходе исследования реакции синтеза PLGA-PEG-PLGA система описала 24 базовые реакции, включая 12 стадий полимеризации с раскрытием цикла и 12 процессов переэтерификации. Анализ охватил 19 временных и 12 пространственных масштабов, выявив отдельные кинетические этапы. Моделирование и измерения показали, что конверсия мономеров, дисперсность молекулярной массы и последовательность блоков в цепи достигают состояния равновесия не одновременно, а строго последовательно.
Фазовое поведение
Отбор продуктов полимеризации в разные моменты времени позволил получать полимеры с принципиально разным поведением в водной среде sciencedirect.com
中国科学通报：英文版sciencedirect.comОткрыть источник ↗. Образцы с близкой среднечисленной молекулярной массой формировали стабильный золь, выпадали в осадок либо превращались в термообратимый гель при нагревании в зависимости от тонкой последовательности звеньев. По данным исследователей, метод дает основу для сквозного проектирования функциональных полимеров и их масштабирования вплоть до промышленного производства.
