Ученые МГУ исследовали новый тип веществ на границе двух несмешивающихся жидкостей

Российские ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова провели на суперкомпьютере «Ломоносов» моделирование поведения полимерных микрогелей, адсорбированных на жидких межфазных границах, и создали теорию, описывающую их свойства. Работа была опубликована в журнале Soft Matter.

«Основной вывод — микрогели, подобные тем, которые мы изучаем, могут быть использованы в качестве компатибилизаторов ("смесителей") несмешивающихся жидкостей и, например, играть роль эффективных катализаторов в химических реакциях», — рассказывает главный автор статьи, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доктор физико-математических наук Игорь Потемкин.

Главный результат работы состоит в том, что были изучены набухание и коллапс одиночных макромолекул — микрогелей — на межфазной границе двух несмешивающихся жидкостей. Ученые показали, что микрогели, находясь на межфазной границе, деформируются («растекаются» на границе), пытаясь минимизировать площадь невыгодных контактов двух жидкостей, тем самым уменьшая поверхностную энергию межфазной границы. При этом жидкости, будучи разделенными на две фазы вне микрогеля, могут полностью смешиваться внутри микрогеля.

Микрогели представляют собой сшитые в пространственную сетку линейные полимерные цепочки, удерживающие в себе растворитель. Размер микрогелей варьируется от десятков нанометров до нескольких микрон. Использование микрогелей в качестве стабилизаторов эмульсий в настоящий момент является очень актуальной научно-практической задачей. В отличие от классических стабилизаторов, таких как твердые частицы (эмульсии Пикеринга), микрогели, являясь «мягкой» материей, обладают откликом на внешние воздействия: их размеры могут конролироваться путем изменения температуры, рН, концентрацией соли в растворе и т.д. Это позволяет контролировать стабильность эмульсий, размер капель, а также разрушать эмульсии при необходимости.

Для решения научной задачи учеными была развита теория набухания и коллапса одиночных микрогелей на межфазной границе двух жидкостей на основе решеточной модели. В работе использовались методы компьютерного моделирования с использованием кода, работающего на суперкомпьютерах (результаты были получены на суперкомпьютере «Ломоносов»).