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.
An ideal chain (or freely jointed chain) is the simplest model in polymer chemistry to describe polymers, such as nucleic acids and proteins. It assumes that the monomers in a polymer are located at the steps of a hypothetical random walker that does not remember its previous steps. By neglecting interactions among monomers, this model assumes that two (or more) monomers can occupy the same location. Although it is simple, its generality gives insight about the physics of polymers. In this model, monomers are rigid rods of a fixed length l, and their orientation is completely independent of the orientations and positions of neighbouring monomers. In some cases, the monomer has a physical interpretation, such as an amino acid in a polypeptide. In other cases, a monomer is simply a segment of the polymer that can be modeled as behaving as a discrete, freely jointed unit. If so, l is the Kuhn length. For example, chromatin is modeled as a polymer in which each monomer is a segment approximately 14 46 kbp in length.
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:
For an ideal chain exchanging length with a reservoir, a macro state of the system is characterized by the vector
The change between an ideal chain of fixed length and an ideal chain in contact with a length reservoir is very much akin to the change between the micro canonical ensemble and the canonical ensemble (see the Statistical mechanics article about this). The change is from a state where a fixed value is imposed on a certain parameter, to a state where the system is left free to exchange this parameter with the outside. The parameter in question is energy for the microcanonical and canonical descriptions, whereas in the case of the ideal chain the parameter is the length of the ideal chain. As in the micro canonical and canonical ensembles, the two descriptions of the ideal chain differ only in the way they treat the system's fluctuations. They are thus equivalent at the thermodynamic limit. The equation of state of the ideal chain remains the same, except that is now subject to fluctuations: