Fizica polimerilor

Fizica polimerilor  este o ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile fizice ale polimerilor , termodinamica acestora din urmă și soluțiile acestora, macromoleculele și rețelele polimerice, fenomenele de relaxare (relaxare mecanică, electrică și magnetică).

Concepte importante

• Polimer
• macromoleculă
• Globulă
• Efectul Kerr
• Segmentul lui Kuhn și lungimea persistentă
• Vâscoelasticitate
• Temperatura de tranziție sticloasă

Istorie

În secolul al XIX-lea , oamenii de știință erau încă de părere că polimerii erau compuși relativ simpli în structura lor, explicându-și proprietățile prin izomerie.

În 1858, Carl Wilhelm von Nägeli a propus teoria micelară a polimerilor, conform căreia moleculele mari sunt o colecție de molecule mici ținute împreună de forțe intermoleculare slabe. Fizicienii și chimiștii din acea vreme erau siguri că compușii foarte mari ar trebui să aibă o organizare moleculară redusă și să fie supuși auto-descompunerii.

În 1920, Staudinger a creat [1] o teorie macromoleculară integrală a structurii polimerilor - molecule cu lanț lung formate dintr-un număr mic de compuși care se repetă de zeci și sute de ori. El a susținut că molecula de cauciuc natural (polimer) este o adevărată moleculă stabilă, constând dintr-un lanț de unități ținute împreună prin legături simple și care conține mii de atomi.

Considerând că macromoleculele sunt tije rigide, Staudinger a criticat dovezile experimentale culese de Herman Francis Mark și F. Eirich [2] , care au indicat că polimerii pot exista sub formă de lanțuri flexibile și sub formă de ligamente micelice. G. F. Mark și Kurt Mayer au introdus conceptul de circuite flexibile.

Primul om de știință care a aplicat metoda mecanicii statistice la polimeri a fost fizicianul elvețian Werner Kuhn , iar în curând a fost aplicată de Hermann Francis Marc și Eugene (Eugen) Guth.la Viena. [3] Ei au investigat fenomenul de elasticitate ridicată . S-a dovedit [4] că elasticitatea ridicată are o natură de entropie: atunci când o probă de polimer este întinsă, macromoleculele sale constitutive ale lanțului sunt îndreptate, entropia scade, crescând astfel energia liberă a probei.

Mai târziu , P. Flory a descoperit [5] că, dacă configurația moleculelor mici în soluție poate fi descrisă cu acuratețe folosind o abordare probabilistică-statistică, atunci cu o dimensiune mare a moleculelor de polimer, această abordare devine nesigură. Situația se schimbă complet atunci când temperatura soluției este coborâtă la o anumită valoare, care variază în funcție de tipul de polimer. La astfel de temperaturi, soluția are proprietățile unei soluții „ideale”. Flory a numit această valoare a temperaturii punctul θ (punctul theta).

Fizica statistică a polimerilor

La sfârșitul anilor 1960, s-a constatat că unele probleme fundamentale ale biofizicii pot fi formulate ca probleme ale fizicii macromoleculelor și că problemele de fizică statistică a macromoleculelor s-au dovedit a fi strâns legate de cele mai presante probleme fizice generale. Acest lucru a atras atenția unui număr de fizicieni teoreticieni proeminenți asupra teoriei polimerilor, în primul rând I. M. Lifshitz , S. F. Edwards , P. J. de Gennes .

J. de Cloiseau [6] și P. J. de Gennes au relevat o analogie directă între schimbarea formei cristalelor lichide și tranziția de fază a unui metal la o stare supraconductoare. De asemenea, de Gennes a arătat că statisticile unui singur lanț polimeric lung într-un solvent bun este echivalentă cu statisticile unui magnet în apropierea unei tranziții de fază de ordinul doi.

S. Edwards [7] (mai devreme) și I. M. Lifshits [8] (în mod independent și mai detaliat) au stabilit o analogie matematică între mecanica statistică a unui lanț polimeric și mecanica cuantică a unei particule într-un câmp potențial extern. S. Edwards a arătat că funcția de partiție pe toate contururile posibile ale unui polimer în spațiu poate fi interpretată prin analogie cu integrala de cale Feynman , Lifshitz a obținut un analog al ecuației Schrödinger pentru un lanț polimeric . Mai târziu, Lifshitz și studenții săi A. Yu. Grosberg și A. R. Khokhlov au găsit o expresie pentru entropia conformațională a unui lanț de polimer și rezultate clasice pentru un globul de polimer în soluție. [9]

Într-una dintre lucrările lui I.M.Lifshitz [8] , pentru prima dată, s-a discutat că pot exista tranziții de fază într-o moleculă de polimer. Pentru prima dată, starea unei bobine fluctuante și a unui glob comprimat au fost înțelese ca două faze diferite.

Aplicarea practică a fizicii și chimiei fizice a polimerilor

Primele dezvoltări în domeniul polimerilor au fost asociate cu transformarea polimerilor naturali deja existenți în produse mai utilizabile. Charles Goodyear a inventat în 1839 un proces de transformare a cauciucului natural și a sulfului în cauciuc vulcanizat ( cauciuc ) care nu se topește vara și nu îngheață iarna. Christian Schönbein a transformat în 1846 bumbacul în nitroceluloză , care poate fi dizolvată cu solvenți speciali și turnată într-o matriță. Munca lui a fost continuată de John Wesley Hyatt, care a primit celuloid  - un amestec solid de nitroceluloză și camfor , din care se puteau forma diverse produse. Acestea au fost primele încercări de a extinde gama de materiale disponibile în producție.

Note

1. ↑ H. Staudinger, Über Polymerisation  (link indisponibil) , Berichte d. D. Chim. Gesellschaft 53 (6), S. 1073 (1920)
2. ↑ F. Eirich, H. Mark, Hochmolekulare Stoffe in Lösung  (link indisponibil) , Ergebn. corect. Naturwiss. 15 , S. 1 (1936)
3. ↑ E. Guth, H. Mark, Zur innermolekularen Statistik, insbesondere bei Kettenmolekülen. Eu  (link în jos) , Mh. Chim. 65 (1), S. 93 (1934)
4. ↑ HM James, E. Guth, Theory of the Elastic Properties of Rubber  (link indisponibil) , J. Chem. Fiz. 11 , p. 455 (1943)
5. ↑ PJ Flory, Principles of Polymer Chemistry , Cornell University Press , 1953
6. ↑ J. des Cloizeaux, Teoria lagrangiană a soluțiilor polimerice la concentrații intermediare  (link indisponibil) , J. Phys. 36 (4), p. 281 (1975)
7. ↑ SF Edwards, Mecanica statistică a polimerilor cu volum exclus , Proc. Fiz. soc. 85 (4), p. 613 (1965)
8. ↑ 1 2 I. M. Lifshchits, Some questions of the statistical theory of biopolymers , JETP 55 , pp. 2408 (1968)
9. ↑ I. M. Lifshits, A. Yu. Grosberg, A. R. Khokhlov, Interacțiuni de volum în fizica statistică a unei macromolecule de polimer Copie de arhivă din 14 septembrie 2013 la Wayback Machine , UFN 127 (3) (1979)

Literatură

• Doy M., Edwards S. Teoria dinamică a polimerilor. - Ed. a II-a. — M .: Mir, 1998. — 440 p.
• De Gennes. P. Idei de scalare în fizica polimerilor. — M .: Mir, 1982. — 368 p.
• Bartenev G. M., Frenkel S. Ya. Fizica polimerilor. - L . : Chimie, 1990. - 433 p. - 3800 de exemplare.  — ISBN 5-7245-0554-1 .
• Strobl GR Fizica polimerilor . — Ed. a 3-a. - Springer, 2007. - 518 p. — ISBN 978-3-540-25278-8 .
• Morris PJT Polymer Pioneers: O istorie populară a științei și tehnologiei moleculelor mari . - Chemical Heritage Foundation, 2005. - 88 p. — ISBN 9780941901031 .

În cataloagele bibliografice	NDL : 00566078 NKC : ph220675