Фізіка палімераў

Фізіка палімераў - раздзел фізікі, які вывучае будову і фізічныя ўласцівасці палімераў, тэрмадынаміку апошніх і іх раствораў, макрамалекул і палімерных сетак, рэлаксацыйныя з’явы (механічная, электрычная і магнітная рэлаксацыя).

 Важныя паняцці 

 Палімер
 Макрамалекула
 Глобул
 Эфект Кера
 Сегмент Куна і персістентная даўжыня
 Вязкапругкасць

 Гісторыя 

У XIX стагоддзе навукоўцы ўсё яшчэ прытрымліваліся думкі, што палімеры - параўнальна простыя па сваёй структуры злучэння, тлумачачы іх ўласцівасці ізамерызмам.

У 1858 годзе Карл Вільгельм фон Негелі прапанаваў міцеллярную тэорыю палімераў, згодна з якой вялікія малекулы ёсць сукупнасць малых малекул, якія ўтрымліваюцца разам слабымі межмолекулярных сіламі. Фізікі і хімікі таго часу былі ўпэўненыя ў тым, што вельмі вялікія злучэнні павінны валодаць зніжанай малекулярнай арганізацыяй і падлягаюць самораспаду.

У 1920 год Штаудзінгер стварыў H. Staudinger, Über Polymerisation, Berichte d. D. Chem. Gesellschaft  '53'  (6), S. 1073 (1920 года)  цэласную макромолекулярном тэорыю будынка палімераў - доўга-цепочечных малекул, якія складаюцца з невялікага ліку дзясяткі і сотні разоў паўтаральных злучэнняў. Ён сцвярджаў, што малекула натуральнага каўчуку (палімер) - гэта сапраўдная ўстойлівая малекула, якая складаецца з ланцуга звёнаў, якія ўтрымліваюцца разам з дапамогай простых сувязяў, і якая змяшчае тысячы атамаў.

Прытрымліваючыся таго меркавання, што макрамалекулы - жорсткія стрыжні, Штаудзінгер раскрытыкаваў эксперыментальныя доказы, сабраныя Германам Фрэнсісам Маркам і Ф. ЭйрыхаF. Eirich, H. Mark, Hochmolekulare Stoffe in Lösung, Ergebn. exakt. Naturwiss. 15, S. 1 (1936), якія паказвалі на тое, што палімеры магу існаваць у выглядзе гнуткіх ланцугоў, так і ў выглядзе міцелопадобных звязкаў. Пасля  Г. Ф. Марк і Курт Майер ўвялі канцэпцыю гнуткіх ланцугоў.

Першым навукоўцам, ужыўшы метад статыстычнай механікі для палімераў, стаў швейцарскі фізік Вернер Кун, а неўзабаве яго ўжылі Герман Фрэнсіс Марк і  у Вене.E. Guth, H. Mark, Zur innermolekularen Statistik, insbesondere bei Kettenmolekülen. I, Mh. Chem.  '65'  (1), S. 93 (1934) Яны даследавалі з’ява высокоэластычнасці. Аказалася,H. M. James, E. Guth, Theory of the Elastic Properties of Rubber, J. Chem. Phys.  '11' , p. 455 (1943) што высокоэластычнасць мае энтропійную прыроду: пры расцяжэнні палімернага ўзору складнікі яго ланцужныя макрамалекулы распростваюцца - энтрапія пры гэтым памяншаецца, тым самым свабодная энергія ўзору ўзрастае.

Пазней П. Флоры выявіў,P. J. Flory,  Principles of Polymer Chemistry , Cornell University Press, 1953 г. што калі канфігурацыя малых малекул у растворы можа быць дакладна апісана з дапамогай імавернасна-статычнага падыходу, то пры вялікім памеры палімерных малекул гэты падыход становіцца ненадзейным. Сітуацыя цалкам змяняецца, калі тэмпература раствора паніжаецца да пэўнага значэння, якое вар'іруецца ў залежнасці ад тыпу палімера. Пры такіх значэння тэмпературы раствор мае ўласцівасці «ідэальнага» раствора. Флоры назваў такое значэнне тэмпературы θ-кропкай (тэта-кропкай).

 Статыстычная фізіка палімераў 


У канцы 60-х гадоў было высветлена, што некаторыя прынцыповыя праблемы біяфізікі могуць быць сфармуляваны як задачы фізікі макрамалекул, а таксама задачы статфізікі макрамалекул апынуліся цесна звязанымі з самымі актуальнымі агульнафізічнай праблемамі. Гэта прыцягнула да тэорыі палімераў ўвагу шэрагу найбуйнейшых фізікаў-тэарэтыкаў, перш за ўсё І. М. Ліфшыц, С. Ф. Эдвардса, П. Ж. дэ Жонка.

Ж. дэ Клуазо J. des Cloizeaux, The Lagrangian theory of polymer solutions at intermediate concentrations, J. Phys.  '36'  (4), p. 281 (1975) і П. Ж. дэ Жонак выявілі прамую аналогію паміж зменай выгляду вадкіх крышталяў і фазавым пераходам металу ў звышправодны стан. Таксама дэ Жонак паказаў, што статыстыка адзіночнай доўгай палімернай ланцужкі ў добрым растваральніку эквівалентная статыстыцы магнетыка паблізу фазавага пераходу другога роду.

С. Эдвардс S. F. Edwards, The statistical mechanics of polymers with excluded volume, Proc. Phys. Soc.  '85'  (4), p. 613 (1965) (раней) і І. М. Ліфшыц І. М. Лифщиц,  Некаторыя пытанні статыстычнай тэорыі біяпалімераў , ЖЭТФ  '55' , стр. 2408 (1968) (незалежна і падрабязней) усталявалі матэматычную аналогію паміж статыстычнай механікай палімернай ланцужкі і квантавай механікай часціцы ў вонкавым патэнцыяльным полі. С. Эдвардс паказаў, што статыстычная сума па ўсіх магчымых контурах палімера ў прасторы можа быць вытлумачана па аналогіі з інтэгралам па траекторыях Фейнмана, Ліфшыц атрымаў для палімернай ланцугу аналаг ўраўненні Шредынгера . Пазней Ліфшыц і яго вучнямі А. Ю. Гросбергом і А. Р. Хахлова былі знойдзеныя выраз для конформаціонной энтрапіі палімернай ланцугу і класічныя вынікі для палімернай глобулы ў растворы.І. М. Ліфшыц, А. Ю. Гросберг, А. Р. Хахлоў, Аб'ёмныя ўзаемадзеяння ў статыстычнай фізіцы палімернай макрамалекулы, УФН '  127  '(3) (1979)

У адной з работ І. М. Ліфшыц  гаворка ўпершыню зайшла аб тым, што ў адной палімернай малекуле могуць быць фазавыя пераходы. Упершыню стан флуктуірующего клубка і сціснутай глобулы былі зразуметыя як дзве розныя фазы.

 Практычнае прымяненне фізікі і фізхіміі палімераў 

Першыя распрацоўкі ў галіне палімераў былі звязаны з пераўтварэннем ўжо існуючых натуральных палімераў у больш зручныя прадукты. Чарлз Гудзьір у 1839 годзе вынайшаў спосаб перапрацоўкі натуральнага каўчуку і серы у вулканізаванай каўчук (гуму ), які не плавіцца летам і не замярзае зімой. Крысціян Шёнбейн ў 1846 года ператварыў бавоўна у нітрацэллюлозу, якая можа быць расчынена адмысловымі растваральнікамі і залітая ў форму. Яго праца была працягнута , які атрымаў цэлулоід - цвёрдую сумесь нітроцеллюлозы і камфоры, з якой можна было фарміраваць розныя вырабы. Такімі былі першыя спробы пашырыць спектр даступных у вытворчасці матэрыялаў.

 Літаратура 

Дой М., Эдвардс С., Динамическая теория полимеров, 2-е изд., 1998г., стр.440Де Жен. П., Идеи скейлинга в физике полимеров, 1982г., стр.368
 Бартенев Г. М., Френкель С. Я., Физика полимеров, 1990г., стр.433Strobl G.  R., The Physics of Polymers,, 2007г., стр.518Morris P. J. T., Polymer Pioneers: A Popular History of the Science and Technology of Large Molecules, , 2005г., стр.88''

 Каменарыі