Кіріспе

Полимерлерді сипаттауға арналған молекулалық модель. Идеалды тізбек (немесе еркін буынды тізбек) – нуклеин қышқылдары мен ақуыздар сияқты полимерлерді сипаттау үшін полимер химиясындағы ең қарапайым модель. Ол полимердегі мономерлердің алдыңғы қадамдарын еске түсірмейтін, гипотетикалық кездейсоқ серуеншінің қадамдарында орналасқанын болжайды. Мономерлер арасындағы өзара әрекеттесуді ескермеу арқасында, бұл модель екі (немесе одан да көп) мономердің бір орынды бөлісе алатынын болжайды. Қарапайым болғанымен, оның жалпылығы полимерлер физикасы туралы түсінік береді. Бұл модельде мономерлер белгілі бір ұзындығы l болатын қатаң таяқшалар болып табылады, ал олардың бағыты көрші мономерлердің бағыты мен орналасуына тәуелді емес. Кейбір жағдайларда мономердің физикалық мағынасы болады, мысалы, полипептидтегі аминқышқыл. Басқа жағдайларда мономер – полимердің дискретті, еркін буынды бірлік ретінде модельделуі мүмкін бөлігі. Егер осылай болса, l – Кухн ұзындығы. Мысалы, хроматин әрбір мономері шамамен 14 46 kbp ұзындығындағы сегмент болып табылатын полимер ретінде модельделеді.

Үлгінің жалпылығы

Жоғарыда сипатталған элементарлық модель микроскопиялық масштабта нақты полимерлерді сипаттауға толығымен бейімделмегенімен, мономерлері еріткіште идеалды араласатын полимер ерітіндісі жағдайында макроскопиялық масштабта қандай да бір маңызға ие. Бұл жағдайда мономер мен мономер, еріткіш молекуласы мен еріткіш молекуласы арасындағы өзара әрекеттесулер бірдей болады, ал жүйенің энергиясы тұрақты деп есептелінеді, бұл модельдің гипотезаларын растайды. Алайда, модельдің маңыздылығы тіпті макроскопиялық масштабта да мономерлер үшін ешқандай шығарылған көлемді (немесе химиялық тұрғыдан айтқанда, стерикалық эффектілерді) ескермеуімен шектеледі. N мономері қатаң, белгілі бір ұзындықта болғандықтан, модельде байланыстың созылуы қарастырылмайды, бірақ оны қарастыруға болады. Мономерлер арасында өзара әрекеттесуді және шығарылған көлемді ескермейтін, құрт сияқты тізбек моделі сияқты басқа да флуктуациялық полимерлік модельдер, термодинамикалық лимитте осы модельге асимптотикалық түрде жақындайды. Осы салыстыру үшін Кун сегменті енгізіледі, ол ұқсас идеалды тізбекте қарастырылатын эквивалентті мономер ұзындығына сәйкес келеді. Ұқсас идеалды тізбекте қарастырылатын Кун сегменттерінің саны полимердің толық ашылған ұзындығын Кун сегментінің ұзындығына бөлгенге тең.

Идеалдық тізбектің энтропиялық серпімділігі

Егер идеал тізбектің екі бос ұшы қандай да бір құрылғымен бөлініп алынса, онда құрылғы полимердің күшін сезінеді. Идеал тізбек созылғанда оның энергиясы өзгермейді, ал оның уақыт бойынша орташасы немесе ішкі энергиясы да тұрақты болады, яғни бұл күш міндетті түрде энтропиялық эффектіге байланысты. Бұл энтропиялық күш, идеал газға толы қораптың қабырғаларына түсетін қысымға өте ұқсас. Идеал газдың ішкі энергиясы тек оның температурасына ғана тәуелді, ал оны қоршаған қораптың көлеміне тәуелді емес, сондықтан ол газ қысымы сияқты қораптың көлемін арттыруға бағытталған энергиялық эффект емес. Бұл идеал газдың қысымының энтропиялық тегі бар екенін көрсетеді. Мұндай энтропиялық күштің немесе қысымның микроскопиялық себебі неде? Ең жалпы жауап – жылулық флуктуациялардың әсері термодинамикалық жүйені макроскопиялық күйге жақындастырады, бұл күйге сәйкес келетін микроскопиялық күйлердің (немесе микрокүйлердің) саны максималды болады. Басқаша айтқанда, жылулық флуктуациялар жүйенің энтропиясының максималды макроскопиялық күйіне қарай итереді. Бұл идеал тізбек жағдайында нені білдіреді? Біріншіден, біздің идеал тізбегіміз үшін микроскопиялық күй әрбір жеке мономердің күйлерінің суперпозициясымен сипатталады (i 1-ден N-ге дейін). Еріткіште идеал тізбек үнемі қозғалатын еріткіш молекулаларынан соққы алады, және осы соққылардың әрқайсысы жүйені қазіргі микроскопиялық күйінен басқа, өте ұқсас микроскопиялық күйге көшіреді. Идеал полимер үшін, төменде көрсетілгендей, ұшынан ұшына дейінгі қашықтық қысқа болғандағы микроскопиялық күйлердің саны, ұшынан ұшына дейінгі қашықтық ұзын болғандағы микроскопиялық күйлердің санынан көп. Осылайша, идеал тізбек үшін оның энтропиясын максималды деңгейге жеткізу оның екі бос ұшы арасындағы қашықтықты қысқартуды білдіреді. Осының салдарынан, тізбекті құлатуға бағытталған күш, оның екі бос ұшы арасындағы идеал тізбек арқылы қолданылады. Осы бөлімде осы күштің орташа мәні есептеледі. Термодинамикалық лимитте алынған өрнектің жалпылығы талқыланады.

Идеалдық полимердің резервуармен алмасу ұзындығы

Осы тармақта, бұрынғы тармақтағыдай, полимердің екі ұшы микроманипуляциялық құрылғыға бекітіледі. Бірақ бұл жолы құрылғы идеал тізбектің екі ұшын белгілі бір орнында ұстамайды, керісінше, идеал тізбекке тұрақты тартым күшін қолданады. Осы жағдайда полимердің екі ұшы орташа жағдайдың шамасында тербеледі. Идеал тізбек тұрақты, қарсы күшпен әрекеттеседі. Ұзындығы резервуармен алмасатын идеал тізбек үшін жүйенің макрокүйі вектормен сипатталады. Белгілі ұзындықтағы идеал тізбек пен ұзындығы резервуармен байланыстағы идеал тізбек арасындағы өзгеру, микроканондық жиын мен канондық жиын арасындағы өзгеруге өте ұқсас (осы туралы Статистикалық механика мақаласына қараңыз). Өзгеріс белгілі бір параметрге нақты мән тағайындалатын күйден, жүйенің осы параметрді сыртқы ортамен еркін алмастыруға рұқсат етілген күйге өтуімен жүзеге асады. Бұл параметр микроканондық және канондық сипаттамалар үшін энергия болса, идеал тізбек үшін – идеал тізбектің ұзындығы болып табылады. Микроканондық және канондық жиындардағыдай, идеал тізбектің екі сипаттамасы жүйенің ауытқуларын қалай қарастыратынымен ғана ерекшеленеді. Олар термодинамикалық лимитте эквивалентті. Идеал тізбектің күй теңдеуі өзгермейді, бірақ енді ол ауытқуларға бейім: