Ο περιορισμός αλυσιδωτών μακρομορίων σε νανο-πόρους με διαστάσεις συγκρίσιμες με τις χαρακτηριστικές διαστάσεις της μοριακής αλυσίδας όπως και η δυνατότητα αποδέσμευσης (απελευθέρωσης) της αλυσίδας από το νανο-πόρο παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές βιολογικές διαδικασίες και βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Η διαδικασία της αποδέσμευσης μιας αρχικά εγκλωβισμένης πολυμερικής αλυσίδας εξαρτάται από μια σειρά παράγοντες όπως: το μοριακό βάρος της αλυσίδας, το μέγεθος του νανο-δοχείου σε σχέση με το μήκος της αλυσίδας, το σχήμα του νανο-δοχείου, το μέγεθος του πόρου διαφυγής/εισόδου της αλυσίδας στο νανοδοχείο, η ποιότητα του διαλύτη εντός και εκτός του νανοδοχείου κ.α. Το φαινόμενο και ο ρόλος των παραμέτρων που το επηρεάζουν θα μελετηθούν με αναλυτικές μεθόδους περιγράφοντας το μακρομόριο με μοντέλα ιδανικών αλυσίδων και το νανοδοχείο ως ένα αδιαπέραστο περιορισμό (σφαιρικού σχήματος) με ένα πόρο διαφυγής για την αλυσίδα. Η μελέτη αυτή αποτελεί το πρώτο βήμα για την εφαρμογή ρεαλιστικών μοντέλων για την περιγραφή των διαδικασιών δέσμευσης/αποδέσμευσης γραμμικών πολυμερών σε σφαιρικές κοιλότητες νανοσκοπικών μεγεθών. / The confinement of the macromolecules into nanopores with dimensions translocation of the chain through the nanopore has a key role in many biological processes and biotechnological applications. The process of packing/releasing of the polymer chain depends on many factors like molecular weight of the chain, the size of the nano-container in comparison with the length of the chain, the shape of the nano-container, the size of the nanopore, the quality of the solvent into and out of the nano-container etc. In the present work we will study the translocation of an ideal chain, confined initially into an impenetrable spherical cavity, through a tiny pore on the surface of the spherical cavity. Using analytical tools and Monte Carlo simulations we examine the effects of the molecular weight and the size of the spherical cavity in the translocation process. This study is a first step towards more realistic descriptions of the confinement/translocation problem of linear polymers from nanopores.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της ροής υγρών μέσω νανοπορώδων μεμβρανών που φέρουν προσροφημένα συσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών υπό συνθήκες ροής με καλό διαλύτη (τολουένιο) καθώς και με μίξη διαλυτών καλού και κακού όπως είναι το τολουένιο και το κυκλοεξάνιο αντιστοίχως. Μελετήθηκαν δύο κατηγορίες συμπολυμερών δισυσταδικά και τα τρισυσταδικά συμπολυμερή. Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται στα polystyrene-b-polyethylene oxide (PS-PEO) δισυσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών. Τα μοριακά βάρη που μελετήσαμε ήταν το 32.000, 70.500, 80.000, 147.000, 182.700, 184.000 , 239.000 και 322.000 g/mol. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: αρχικά μέτρηση της γυμνής μεμβράνης στο φασματοφωτόμετρο FTIR και μετά έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο. Στη συνέχεια έγινε η τοποθέτηση της μεμβράνης σε διάλυμα του εκάστοτε πολυμερούς στο τολουένιο, Το τουλουένιο επιλέχτηκε διότι είναι καλός διαλύτης προς την συστάδα PS. Η μεμβράνη παρέμεινε στο διάλυμα για κάποιο χρονικό διάστημα της τάξεως ημερών έτσι ώστε να επιτευχθεί η διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης. Λόγω του ότι το τουλουένιο αποτελεί κακό διαλύτη για το PEO έχουμε αγκύστρωση των πολυμερικών βουρτσών PEO στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης. Αφού πραγματοποιηθεί μέτρηση του υπέρυθρου φάσματος της μεμβράνης για να τεκμηριωθεί η προσρόφηση του πολυμερούς, ακολούθως γινόταν προσαρμογή της προσροφημένης μεμβράνης στην διάταξη και ροή με διαλύτη τολουένιο. Με χρήση του νόμου του Poiseuille βρίσκεται το πάχος των πολυμερικών βουρτσών, υπολογίζοντας έτσι κατά πόσο οι πολυμερικές βούρτσες με την εισχώρηση του διαλύτη από τους πόρους εκτείνονται κάθετα της επιφάνειας που έχουν προσροφηθεί. Τέλος με χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR και πάλι γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης λόγω της ροής. Επίσης πραγματοποιήθηκε η μελέτη της συμπεριφοράς κάποιων από αυτά τα συμπολυμερή σε μίγμα διαλυτών τολουολίου και κυκλοεξανίου. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία όπως προηγουμένως αλλάζοντας μόνο το στάδιο της ροής, ο έλεγχος σε αυτή την περίπτωση ξεκινούσε από 100% τολουένιο, 70% τολουένιο-30% κυκλοεξάνιο, 50%τολουένιο – 50%κυκλοεξάνιο ,30% τολουένιο – 70 % κυκλοεξάνιο και καταλήγαμε με 100% κυκλοεξάνιο. Ελεγχόταν έτσι η απόκριση των πολυμερικών βουρτσών κατά την εναλλαγή του διαλύτη. Με χρήση του νόμου του Poiseuille μπορούσε να υπολογισθεί το πάχος των πολυμερικών βουρτσών και να προσδιορισθεί κατά πόσο μετά το τέντωμα τους από την επαφή τους με τον καλό διαλύτη το τολουένιο, συρρικνώνονται όταν έρχονται σε επαφή με τον κακό διαλύτη το κυκλοεξάνιο. Στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα τρισυσταδικά συμπολυμερή . Τα τρισυσταδικά πολυμερή που μελετήσαμε ήταν το polyvinyl-2-pyridine-b-polystyrene-b- polyvinyl-2-pyridine (PV2P-PS-PV2P) 30K-180K-30K, το PEO-PS-PEO 18.6K-45.2K-18.6K και το PEO-PS-PEO 2.3K-16.7K-2.3K. Ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο πειραματικής διαδικασίας όπως στα δισυσταδικά συμπολυμερή, έγινε η μελέτη της συμπεριφοράς των τρισυσταδικών συμπολυμερών σε ροή με τουλουένιο, το οποίο αποτελεί καλό διαλύτη προς την μια συστάδα (PS) του συμπολυμερούς. Τα τρισυσταδικά συμπολυμερή κατά την διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης, δηλαδή της αγκίστρωσης των πολυμερικών βουρτσών μέσω των συστάδων PEO και PV2P στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης παρουσιάζουν τον σχηματισμό βρόχου (loop) . Στην συνέχεια γινόταν τοποθέτηση της μεμβράνης στην διάταξη και ο έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο όπως και στην περίπτωση των δισυσταδικών συμπολυμερών. Τέλος με την χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης. Το πάχος της προσροφημένης βούρτσας υπολογιζόταν με χρήση του νόμου του Poiseuille όπως και με τα δισυσταδικά συμπολυμερή. / -

Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς προσροφημένων πολυηλεκτρολυτών. Συγκεκριμένα έγιναν μετρήσεις των δυνάμεων αλληλεπίδρασης μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων. Από τις μετρήσεις αυτές είναι δυνατή η εξαγωγή συμπερασμάτων για το πάχος του προσροφημένου πολυμερικού στρώματος, όπως και για το ποσοστό προσρόφησης των πολυμερών. Τα πολυμερή που μετρήθηκαν είναι αμφίφυλα δυσυσταδικά συμπολυμερή, αποτελούνται από ένα υδρόφοβο τμήμα που προσροφάται σε επιφάνειες και από ένα υδρόφιλο τμήμα. Κατά μήκος της αλυσίδας τους τα πολυμερή μας φέρουν φορτία (είναι σουλφονομένα) και για αυτό τον λόγο αποκαλούνται πολυηλεκτρολύτες. Εξετάζουμε τέσσερα διαφορετικά Μ.Β. (90Κ. 120Κ, 150Κ, 400Κ).Τα δείγματα υπό εξέταση είναι αραιά υδατικά διαλύματα (1/10000) των πολυμερών με την παρουσία ηλεκτρολύτη (άλατος) σε διάφορες συγκεντρώσεις. Τα αιωρήματα αυτά διοχετεύονται εντός κελίου στο οποίο βρίσκονται εμβαπτισμένες οι επιφάνειες προσρόφησης (μίκα). Αυτές με την σειρά τους είναι προσαρμοσμένες σε ημικυλινδρικούς φακούς που βρίσκονται σε διάταξη σταυρού. Δια μέσου των φακών διέρχεται εστιασμένη δέσμη φωτός, που οδηγείται σε φασματοσκόπιο. Εκεί αναλύεται και παρατηρούνται κροσσοί συμβολής. Με την βοήθεια της συμβολομετρίας μπορούμε να παρατηρήσουμε την μετακίνηση που υφίστανται οι φακοί , αλλά και την παρεμπόδιση που εμφανίζεται όταν αναπτύσσονται οι δυνάμεις. Οι δυνάμεις γίνονται μετρήσιμες από την κάμψη ενός ελάσματος που φέρει πάνω του προσαρμοσμένο τον ένα φακό. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων μας δίνουν πολύτιμες πληροφορίες για την συμπεριφορά των πολυμερών. Στα κυριότερα αποτελέσματα, που μπορεί κανείς να αναφερθεί είναι η παρατηρούμενη εξάρτηση του πάχους του πολυμερικού στρώματος από το Μ.Β. των πολυμερών.(αύξηση του πάχους με ελάττωση του Μ.Β.) Επίσης παρατηρείται μία εξάρτηση του πάχους του πολυμερικού στρώματος από την μεταβολή της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη στα διαλύματά μας. Για μεγάλα μοριακά βάρη παρατηρούμε ελάττωση του πάχους με την ελάττωση της συγκέντρωσης του άλατος. Ένα αξιοσημείωτο συμπέρασμα είναι το γεγονός ότι από την επεξεργασία των μετρήσεών μας φαίνεται να σχηματίζεται ένα πυκνό στρώμα κοντά στην επιφάνεια προσρόφησης από το οποίο προεξέχουν με μορφή ακροτενών πολυμερών οι αλυσίδες με μορφολογία βούρτσας. Η έλλειψη υστέρησης από τις μετρήσεις μας, επιβεβαιώνει το συμπέρασμα ότι έχουμε ακροτενή πολυμερή (πολυμερικές βούρτσες). Τέλος παρατηρούμε μονότονα απωστικές δυνάμεις μεταξύ των πολυηλεκτρολυτικών αλυσίδων. / The forces between adsorbed charged diblock copolymers were measured, by the use of the Surface Force Apparatus. Diblock copolymers forming a polymer brush structure were investigated in order to measure the adsorbed layer thickness and their behavior in salt solutions with different concentrations. As we investigate there is an interesting conformation related with the adsorbed layer. It seems to consist by two sections, an anchoring layer and a solvated brush in solution. The anchoring layer is formed from the hydrophobic blocks of the diblock polyelectrolytes. The hydrophilic blocks form a brush in solution. Positive counter ions that are found in conjunction with the negative charges on the polyelectrolyte disassociate in solution. There are as many counter ions as charges on the chain. The presence of salt in the solution means more disassociated ions in the solution. Changes to the salt concentration leads to changes to the forces as well as to the adsorbed layer. We investigate four different molecular weights of the sulfonated polyelectrolyte PtBS-NaPSS (90K, 120K, 150K, 400K) by changing the salt concentration. We find out that the adsorbed layer thickness decreases while the molecular weight increases. We also detect reduce to the layer thickness with salt concentration reduction. The adsorbed amount seems to reduce by increasing the molecular weight and increases by salt concentration reduction. Although the most important conclusion is the anchoring layer which forms a stiff layer very close to the substrate. Finally these polymeric systems can be used in numerous industrial applications as colloid stabilization, biocompatibilization, adhesion, and water treatment e.t.c.