Fysik af polymerer

Polymerfysik  er en gren af ​​fysik , der studerer polymerers struktur og fysiske egenskaber , sidstnævntes termodynamik og deres løsninger, makromolekyler og polymernetværk, afslapningsfænomener (mekanisk, elektrisk og magnetisk afslapning).

Vigtige begreber

• Polymer
• makromolekyle
• Kugle
• Kerr effekt
• Kuhns segment og vedvarende længde
• Viskoelasticitet
• Glasovergangstemperatur

Historie

I det 19. århundrede var videnskabsmænd stadig af den opfattelse, at polymerer var relativt simple forbindelser i deres struktur, hvilket forklarer deres egenskaber ved isomerisme.

I 1858 foreslog Carl Wilhelm von Nägeli den micellære teori om polymerer, ifølge hvilken store molekyler er en samling af små molekyler, der holdes sammen af ​​svage intermolekylære kræfter. Fysikere og kemikere på den tid var sikre på, at meget store forbindelser skulle have en reduceret molekylær organisation og være genstand for selvnedbrydning.

I 1920 skabte Staudinger [1] en integreret makromolekylær teori om strukturen af ​​polymerer - langkædede molekyler bestående af et lille antal af tiere og hundredvis af gange gentagende forbindelser. Han argumenterede for, at naturgummimolekylet (polymer) er et sandt stabilt molekyle, der består af en kæde af enheder, der holdes sammen af ​​simple bindinger, og som indeholder tusindvis af atomer.

Med den opfattelse, at makromolekyler er stive stænger, kritiserede Staudinger de eksperimentelle beviser indsamlet af Herman Francis Mark og F. Eirich [2] , som indikerede, at polymerer kan eksistere i form af fleksible kæder og i form af micellelignende ledbånd. G. F. Mark og Kurt Mayer introducerede begrebet fleksible kredsløb.

Den første videnskabsmand, der anvendte metoden for statistisk mekanik på polymerer, var den schweiziske fysiker Werner Kuhn , og snart blev den anvendt af Hermann Francis Marc og Eugene (Eugen) Guti Wien. [3] De undersøgte fænomenet høj elasticitet . Det viste sig [4] , at høj elasticitet har en entropi-karakter: når en polymerprøve strækkes, rettes dens bestanddele af kædemakromolekyler ud, entropien falder, hvorved prøvens frie energi øges.

Senere opdagede P. Flory [5] , at hvis konfigurationen af ​​små molekyler i opløsning kan beskrives nøjagtigt ved hjælp af en probabilistisk-statistisk tilgang, så bliver denne tilgang upålidelig med en stor størrelse af polymermolekyler. Situationen ændrer sig fuldstændig, når opløsningens temperatur sænkes til en vis værdi, som varierer afhængigt af typen af ​​polymer. Ved sådanne temperaturer har opløsningen egenskaberne som en "ideel" opløsning. Flory kaldte denne temperaturværdi for θ-punktet (theta-punktet).

Statistisk fysik af polymerer

I slutningen af ​​1960'erne fandt man ud af, at nogle grundlæggende biofysiske problemer kan formuleres som problemer i makromolekylernes fysik, og at problemerne med statistisk fysik af makromolekyler viste sig at være tæt forbundet med de mest presserende generelle fysiske problemer. Dette tiltrak opmærksomheden hos en række fremtrædende teoretiske fysikere til teorien om polymerer, primært I. M. Lifshitz , S. F. Edwards , P. J. de Gennes .

J. de Cloiseau [6] og P. J. de Gennes afslørede en direkte analogi mellem ændringen i form af flydende krystaller og faseovergangen af ​​et metal til en superledende tilstand. De Gennes viste også, at statistikken for en enkelt lang polymerkæde i et godt opløsningsmiddel svarer til statistikken for en magnet nær en andenordens faseovergang.

S. Edwards [7] (tidligere) og I. M. Lifshits [8] (uafhængigt og mere detaljeret) etablerede en matematisk analogi mellem den statistiske mekanik af en polymerkæde og kvantemekanikken af ​​en partikel i et eksternt potentialfelt. S. Edwards viste, at partitionsfunktionen over alle mulige konturer af en polymer i rummet kan fortolkes analogt med Feynman -stiintegralet, Lifshitz opnåede en analog af Schrödinger-ligningen for en polymerkæde . Senere fandt Lifshitz og hans elever A. Yu. Grosberg og A. R. Khokhlov et udtryk for den konformationelle entropi af en polymerkæde og klassiske resultater for en polymerkugle i opløsning. [9]

I et af værkerne af I.M. Lifshitz [8] blev det for første gang diskuteret, at der kan være faseovergange i et polymermolekyle. For første gang blev tilstanden af ​​en fluktuerende spole og en komprimeret kugle forstået som to forskellige faser.

Praktisk anvendelse af fysik og fysisk kemi af polymerer

Den første udvikling inden for polymerer var forbundet med omdannelsen af ​​allerede eksisterende naturlige polymerer til mere anvendelige produkter. Charles Goodyear opfandt i 1839 en proces til at omdanne naturgummi og svovl til vulkaniseret gummi ( gummi ), der ikke smelter om sommeren og ikke fryser om vinteren. Christian Schönbein omdannede i 1846 bomuld til nitrocellulose , som kan opløses med specielle opløsningsmidler og hældes i en form. Hans arbejde blev videreført af John Wesley Hyatt, som modtog celluloid  - en fast blanding af nitrocellulose og kamfer , hvorfra forskellige produkter kunne dannes. Dette var de første forsøg på at udvide rækken af ​​materialer, der er tilgængelige i produktionen.

Noter

1. ↑ H. Staudinger, Über Polymerisation  (link utilgængeligt) , Berichte d. D. Chem. Gesellschaft 53 (6), S. 1073 (1920)
2. ↑ F. Eirich, H. Mark, Hochmolekulare Stoffe i Lösung  (utilgængeligt link) , Ergebn. præcis. Naturwiss. 15 , S. 1 (1936)
3. ↑ E. Guth, H. Mark, Zur innermolekularen Statistik, insbesondere bei Kettenmolekülen. I  (downlink) , Mh. Chem. 65 (1), S. 93 (1934)
4. ↑ HM James, E. Guth, Theory of the Elastic Properties of Rubber  (link utilgængeligt) , J. Chem. Phys. 11 , s. 455 (1943)
5. ↑ PJ Flory, Principles of Polymer Chemistry , Cornell University Press , 1953
6. ↑ J. des Cloizeaux, Den lagrangske teori om polymeropløsninger ved mellemliggende koncentrationer  (utilgængeligt link) , J. Phys. 36 (4), s. 281 (1975)
7. ↑ SF Edwards, Den statistiske mekanik af polymerer med udelukket volumen , Proc. Phys. soc. 85 (4), s. 613 (1965)
8. ↑ 1 2 I. M. Lifshchits, Nogle spørgsmål om den statistiske teori om biopolymerer , JETP 55 , s. 2408 (1968)
9. ↑ I. M. Lifshits, A. Yu. Grosberg, A. R. Khokhlov, Volume interactions in the statistic physics of a polymer macromolecule Arkivkopi af 14. september 2013 på Wayback Machine , UFN 127 (3) (1979)

Litteratur

• Doy M., Edwards S. Dynamic Theory of Polymers. - 2. udg. — M .: Mir, 1998. — 440 s.
• De Gennes. P. Idéer om skalering i polymerfysik. — M .: Mir, 1982. — 368 s.
• Bartenev G. M., Frenkel S. Ya. Polymers fysik. - L . : Kemi, 1990. - 433 s. - 3800 eksemplarer.  — ISBN 5-7245-0554-1 .
• Strobl GR Polymerernes fysik . — 3. udg. - Springer, 2007. - 518 s. — ISBN 978-3-540-25278-8 .
• Morris PJT Polymer Pioneers: A Popular History of the Science and Technology of Large Molecules . - Chemical Heritage Foundation, 2005. - 88 s. — ISBN 9780941901031 .

I bibliografiske kataloger	NDL : 00566078 NKC : ph220675