اسفرولیت (فیزیک پلیمر)

این مقاله در مورد پلیمرها است. برای سایر کاربردها، به اسفرولیت مراجعه کنید.

در فیزیک پلیمر، اسفرولیت‌ها (از کلمه یونانی *sphaira* = گوی و *lithos* = سنگ) نواحی نیمه بلور کروی در داخل پلیمرهای خطی غیر شاخه‌ای هستند. تشکیل آنها با تبلور پلیمرها از مذاب مرتبط است و توسط پارامترهای مختلفی مانند تعداد مکان‌های هسته‌زایی، ساختار مولکول‌های پلیمر، سرعت خنک شدن و غیره کنترل می‌شود. بسته به این پارامترها، قطر اسفرولیت ممکن است در طیف وسیعی از چند میکرومتر تا میلی‌متر متغیر باشد. اسفرولیت‌ها از لایه‌های (**lamellae**) بسیار منظم تشکیل شده‌اند که در مقایسه با نواحی نامنظم در یک پلیمر، منجر به چگالی، سختی و همچنین شکنندگی بالاتر می‌شوند. لایه‌ها توسط نواحی آمورف به هم متصل می‌شوند که خاصیت ارتجاعی و مقاومت در برابر ضربه را فراهم می‌کنند. هنگامی که اسفرولیت‌ها بین قطبشگرهای متقاطع در میکروسکوپ نوری مشاهده می‌شوند، ترازبندی مولکول‌های پلیمر در داخل لایه‌ها منجر به دوشکستی می‌شود و الگوهای رنگی متنوعی از جمله صلیب مالتی را ایجاد می‌کند.

## شکل گرفتن
اگر یک پلیمر خطی مذاب (مانند پلی‌اتیلن) ​​به سرعت سرد شود، جهت‌گیری مولکول‌های آن که به صورت تصادفی هم‌تراز، منحنی و درهم‌تنیده هستند، ثابت می‌ماند و جامد ساختار نامنظمی پیدا می‌کند. با این حال، با سرد شدن آهسته، برخی از زنجیره‌های پلیمری پیکربندی منظمی به خود می‌گیرند: آن‌ها خود را در صفحاتی به نام لایه‌های بلوری هم‌تراز می‌کنند.
بندانگشتی|اصل تشکیل لایه‌ها در طول تبلور پلیمرها. فلش جهت گرادیان دما را نشان می‌دهد.
رشد از مذاب از گرادیان دما پیروی می‌کند (شکل را ببینید). به عنوان مثال، اگر گرادیان عمود بر جهت تراز مولکولی باشد، رشد لایه‌ای به صورت جانبی به یک کریستالیت مسطح تبدیل می‌شود. با این حال، در غیاب گرادیان حرارتی، رشد به صورت شعاعی و در تمام جهات رخ می‌دهد و منجر به تجمعات کروی، یعنی اسفرولیت‌ها، می‌شود. بزرگترین سطوح لایه‌ها توسط خمیدگی‌ها و پیچ خوردگی‌های مولکولی خاتمه می‌یابند و رشد در این جهت منجر به ایجاد نواحی بی‌نظم می‌شود. بنابراین، اسفرولیت‌ها ساختار نیمه بلوری دارند که در آن صفحات لایه‌ای بسیار منظم توسط نواحی آمورف قطع می‌شوند.

اندازه گویچه‌ها در طیف وسیعی، از میکرومتر تا 8 سانتی‌متر متغیر است و توسط هسته‌زایی کنترل می‌شود. ابر سرمایش شدید یا افزودن عمدی دانه‌های تبلور منجر به تعداد نسبتاً زیادی از مکان‌های هسته‌زایی می‌شود؛ سپس گویچه‌ها متعدد و کوچک هستند و هنگام رشد با یکدیگر تعامل دارند. در صورت وجود مکان‌های هسته‌زایی کمتر و خنک‌سازی آهسته، گویچه‌های بزرگتری ایجاد می‌شوند.
بندانگشتی|مدل شماتیک یک گویچه. فلش‌های سیاه جهت هم‌ترازی مولکولی را نشان می‌دهند.
این دانه‌ها می‌توانند توسط ناخالصی‌ها، نرم‌کننده‌ها، پرکننده‌ها، رنگ‌ها و سایر موادی که برای بهبود سایر خواص پلیمر اضافه می‌شوند، ایجاد شوند. این اثر به خوبی شناخته نشده و نامنظم است، به طوری که یک افزودنی می‌تواند هسته‌زایی را در یک پلیمر افزایش دهد، اما در پلیمر دیگر نه. بسیاری از عوامل هسته‌زای خوب، نمک‌های فلزی اسیدهای آلی هستند که خود در دمای انجماد پلیمر بلوری هستند.

## خواص

### مکانیکی
بندانگشتی|کرنش در نقطه شکست در مقابل اندازه گویچه‌ها.
تشکیل گویچه‌ها بر بسیاری از خواص مواد پلیمری تأثیر می‌گذارد؛ به ویژه، بلورینگی، چگالی، استحکام کششی و مدول یانگ پلیمرها در طول گویچه‌سازی افزایش می‌یابد. این افزایش به دلیل کسر لایه‌های درون گویچه‌ها است، جایی که مولکول‌ها نسبت به فاز آمورف، متراکم‌تر هستند. برهمکنش قوی‌تر بین مولکولی درون گویچه‌ها باعث افزایش سختی و همچنین شکنندگی بیشتر می‌شود. از سوی دیگر، نواحی آمورف بین لایه‌های درون گویچه‌ها، خاصیت ارتجاعی و مقاومت در برابر ضربه خاصی به ماده می‌دهند.

با این حال، تغییرات در خواص مکانیکی پلیمرها هنگام تشکیل گویچه‌ها به شدت به اندازه و چگالی گویچه‌ها بستگی دارد. یک مثال بارز در شکل نشان داده شده است که نشان می‌دهد کرنش در هنگام شکست با افزایش اندازه گویچه‌ها و در نتیجه با کاهش تعداد آنها در پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک به سرعت کاهش می‌یابد. روندهای مشابهی برای استحکام کششی، تنش تسلیم و چقرمگی مشاهده می‌شود. افزایش حجم کل گویچه‌ها منجر به برهمکنش آنها و همچنین انقباض پلیمر می‌شود که شکننده می‌شود و به راحتی تحت بار در امتداد مرزهای بین گویچه‌ها ترک می‌خورد.

#### نوری
[بندانگشتی|یک گویچه که در یک [:en:Mesogen|مزوژن موزاییکی قرار گرفته و بین قطبشگرهای متقاطع مشاهده می‌شود.]]
ترازبندی مولکول‌های پلیمری درون لایه‌ها منجر به دوشکستی می‌شود و الگوهای رنگی متنوعی را ایجاد می‌کند، زمانی که گویچه‌ها بین قطبشگرهای متقاطع در میکروسکوپ نوری مشاهده می‌شوند. به طور خاص، اغلب چیزی به نام "صلیب مالتی" وجود دارد که از چهار مخروط عمودی تیره تشکیل شده است که از مبدا واگرا می‌شوند (تصویر سمت راست را ببینید)، و گاهی اوقات دارای یک مرکز روشن (تصویر جلو) هستند. تشکیل آن را می‌توان به شرح زیر توضیح داد. زنجیره‌های پلیمری خطی را می‌توان به عنوان یک قطبشگر خطی در نظر گرفت. اگر جهت آنها با جهت یکی از قطبشگرهای متقاطع منطبق باشد، نور کمی عبور می‌کند. وقتی زنجیره‌ها با هر دو قطبشگر زاویه غیر صفر می‌سازند، عبور افزایش می‌یابد و عبور القایی تا حدودی به دلیل خواص جذب پلیمر به طول موج وابسته است.

این اثر منجر به مخروط‌های عمودی تیره (صلیب مالتی) و نواحی روشن‌تر رنگی بین آنها در تصاویر جلو و راست می‌شود. این نشان می‌دهد که محور مولکولی مولکول‌های پلیمری در گویچه‌ها یا عمود بر بردار شعاع است یا عمود بر آن، یعنی جهت‌گیری مولکولی هنگام حرکت در امتداد یک خط از مرکز گویچه تا لبه آن در امتداد شعاع آن یکنواخت است. با این حال، این جهت‌گیری با زاویه چرخش تغییر می‌کند. این الگو ممکن است برای مرکز گویچه‌ها متفاوت (روشن یا تیره) باشد که نشان‌دهنده جهت‌گیری نادرست مولکول‌ها در دانه‌های هسته‌زایی گویچه‌های منفرد است. هر لکه تیره یا روشنی به زاویه ایجاد شده با قطبشگر بستگی دارد که به دلیل شکل کروی منجر به یک تصویر متقارن می‌شود.
[بندانگشتی|گویچه‌های جای گرفته در یک [:en:Mesogen|مزوژن موزاییکی که بین قطبشگرهای متقاطع مشاهده می‌شود.]]
وقتی گویچه‌ها در صفحه خود چرخانده شدند، الگوهای متقاطع مالتی مربوطه تغییر نکردند، که نشان می‌دهد آرایش مولکولی در مقابل زاویه قطبی همگن است. از دیدگاه انکسار مضاعف، گویچه‌ها می‌توانند مثبت یا منفی باشند. این تمایز نه به جهت‌گیری مولکول‌ها (موازی یا عمود بر جهت شعاعی) بلکه به جهت‌گیری ضریب شکست اصلی مولکول نسبت به بردار شعاعی بستگی دارد. قطبیت گویچه به مولکول‌های تشکیل‌دهنده بستگی دارد، اما می‌تواند با دما نیز تغییر کند.

## جستار وابسته

* تبلور پلیمر ها
* پلیمرهای بلور مایع
* بلورینگی
* پلیمرهای رسانا

## منابع


## کتابشناسی
G. W. Ehrenstein; Richard P. Theriault (2001). Polymeric materials: structure, properties, applications. Hanser Verlag. ISBN 1-56990-310-7.
رده:بسپارها