Polimer fiziği

Polimer fiziği, sırasıyla polimerleri, onların dalgalanmalarını, mekanik özelliklerini ve ek olarak polimer ve monomerlerin bozulma ve polimerleşme gibi kinetik reaksiyonlarını inceleyen fizik dalıdır.

Yoğun madde fiziği perspektifine odaklanmış olsa da polimer fiziği aslen istatistiki fiziğin bir dalıdır. Polimer fiziği ve polimer kimyası da polimerlerin uygulanabilir bölümlerini inceleyen polimer biliminde birbirleriyle alakalıdır.

Polimer fiziği için istatistiksel yaklaşım bir polimerle Brown Devinimi ya da tesadüfi hareket, öz-kaçınmalı hareket tiplerinden birinin benzerliği üzerine kuruludur. En basit polimer zincir modeli tesadüfi harekete denk gelen ideal zincir şeklinde sunulmaktadır. Polimerleri karakterize etmek için deneysel yaklaşımlar ayrıca yaygındır. Büyüklük dışlanımlı kromatografi, viskometri, dinamik ışık saçılımı ve polimerleşme reaksiyonlarını otomatik sürekli çevrimiçi gözetleme metotlarını kullanan polimer karaktarizasyon metotları polimerlerin kimyasal fiziksel ve maddesel özelliklerinin tayini için kullanılabilir. Bu deneysel metotlar ayrıca polimerlerin matematiksel olarak modellenmesine yardımcı olur daha fazlasıyla polimerlerin özelliklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlar.

Serbest bağlantılı zincir en basit polimer modelidir. Bu modelde sabit uzunluktaki polimer segmentleri doğrusal olarak bağlanmış ve tüm bağ ve burulma açıları aynı derecede muhtemeldir. Bu yüzden polimer tesadüfi rastgele hareket ve ideal zincir ile tarif edilebilir.

Kurtçuk benzeri zinci daha karmaşık bir modeldir. Kalıcı uzunluğu hesaba katar. Polimerler tamamıyla elastik değildir; onları bükmek enerji ister. Kalıcı uzunluğun altındaki uzunluk skalalarında polimer aşağı yukarı sert bir çubuk gibi davranır.

Zincir monomerler arasındaki etkileşim harici hacim olarak modellenebilir. Bu da zincirin konformasyonel olasılıklarını azaltır ve öz-kaçınmalı rastgele sürce yol açar. Öz-kaçınmalı rstgele süreçlerin rastgele süreçlerden farkli istatistikleri vardır.

Tek bir polimer zincirinin istatistiği çözücüye bağlıdır. İyi bir çözücüde zincir daha genişken kötü bir çözücüde zincir segmentleri birbirlerine daha yakın durur. Çok kötü çözücü limitinde polimer zinciri neredeyse çöküp katı bir küre şekline gelirken iyi çözücüde zincir polimer-sıvı temas sayısını maksimize etmek için şişer. Bu durumda dönme yarıçapı için ölçekli bir sonuç veren Flory ortalama alan yaklaşımı ile dönme yarıçapı hesaplanır.

İyi çözücü için,; kötü çözücü için, . Bu yüzden iyi bir çözücü içindeki polimerlerin boyutu daha büyüktür ve parçalı bir obje gibi davranır. Kötü çözücüde ise katı küre davranışı gösterir.

Çözücü kalitesi sıcaklığa da bağlıdır. Elastik bir polimer için düşük sıcaklık kötü kaliteye tekabül ederken yüksek sıcaklık aynı çözücüyü daha iyi yapabilir. Teta (θ) sıcaklığı denilen özel bir sıcaklıkta çözücü ideal zincir gibi davranır.

İdeal zincir modeli polimer segmentlerinin sanki zincir hayalet bir zincirmiş gibi birbirleri üzerine binebileceğini varsayar. Gerçekte ise iki segment aynı anda aynı alanı kaplayamaz. Segmentler arasındaki bu etkileşime harici hacim etkileşimi denir.

Polimer elastik olsun ya da olmasın Whether a polymer is flexible or not depends on the scale of interest. Örneğin çift sarmallı DNA’nın kalıcı uzunluğu 50 nm civarıdır. 50 nm’den daha düşük ölçeklere baktığımızda (McGuinnes limiti olarak bilinen) az çok katı çubuk gibi davranır. 50 nm’den çok daha yüksek ölceklerde ise elastik zincir gibi davranır.

Bu bölüm herhangi bir kaynak ya da referanstan alıntı yapmamaktadır. Lütfen, güvenilir kaynaklardan alıntılar ekleyerek bu bölümün gelişmesine yardımcı olun. Kaynak gösterilmemiş materyallere reddedilipsilinebilir.

Uzun zincirli polimer çalışmaları 1950’lerden beri istatistiksel mekanik alanında problem kaynağı olmuştur. Bunun sebeplerinden bir tanesi ise bir polimer zincirinin davranışını temsil eden eşitlikler zincir kimyasından bağımsız olmasıdır. Dahası temsili eşitliklerin uzayda tesadüfi hareket ya da yayıngan hareket olduğu ortaya çıktı. Aslında Schrödinger denkleminin kendisi sanal zamanda bir yayınım denklemidir., t' = it.

Mekandaki tesadüfi hareketler rastgele bir yürüyüşçününizlediği yolun zaman içinde alınan anlık görütüleri olarak düşünülbilir. Uzun zincirli polimerlerin konumsal configürasyonları buna bir örnek olabilir.

Mekanda tasadüfi hareketin iki tipi vardır: polimer zincirlerinin bağlantılarının etkileştiği ve uzayda üst üste binmediği öz-kaçınmalı tesadüfi hareketler ve bolimer zincirinin bağlantıları etkileşimde olmayan ve bağlantıların serbestçe birbiri üzerine çıkabildiği tam tesadüfi hareket. İlk anlatılan tip fiziksel sistemlere daha uygulanabilir olmakla beraber birinci prensipten çözümlerini bulmak daha zordur.

Polimer zincirini esneterek uygulanan işin tamamen sistemin esneme sonucu oluşan entropi değişimiyle alakalı olması ilk başta şaşırtıcı gelebilir. Fakat ideal gazlar gibi bu tipik sistemlerde herhangi bir enerjiyi potansiyel enerji olarak depo etmez. Bu tip sistemler tamamen belli sıcaklıktaki entropi değişimiyle işler ki bu da sistemin çevresi üzerinde iş yapmasına izin verildiğinde görülebilir. (örneğin elastik bant geerginken çevresine çekme kuvveti ya da benzer şekilde ideal bir gaz genişleyerek çevresine iş uygulayabilir) Serbestenerjideki değişimlerden dolayı bu tip durumlar iç(potantsiyel) enerji dönüşümünden değil tamamen entropi değişiminden kaynaklanır. İki durumda da yapılan iş tamamen polimerin içindeki termal enerjiden %100 termal enerji-iş dönüşüm verimiyle çekilebilir. Bu durum hem ideal gaz hem de polimerde termal enerjinin soğurulmadan doğan kayıpların büzüşme ile telafi edilmesi ve materyalin soğutulmasıyla mümkündür.