Полімери-трансформери • Сергій Цітовскій • Науково-популярні завдання на "Елементи" • Хімія

Полімери-трансформери

Полімерами в органічній хімії називають речовини, молекули яких складаються з безлічі повторюваних ланок. Наприклад, поліетилен складається з довгих ланцюжків … -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2– …, отриманих полімеризацією етилену CH2= CH2. Для стислості така послідовність записується (-CH2-CH2-)n, де n – це кількість повторів або просто невизначений, але досить велика кількість.

Крім лінійних полімерів, таких як поліетилен, існують ще й циклічні (замкнуті в кільце) – поліпропіленгліколів (наприклад, речовина A на малюнку).

Довгі лінійні полімери начебто поліетилену утворюють тягучі нитки (і плівки) за рахунок того, що довгі молекули досить міцно чіпляються один за одного, і при розриві нитки хімічні зв'язки теж в деякій мірі рвуться (а не тільки молекули «розтягуються»). Циклічні ж полімери поводяться як масла, і еластичних властивостей не виявляють, тому що молекули хоч і великі, але один до одного притягуються несильно (область дотику менше).

Цікаво, що два таких циклу можна "зчепити" між собою. Такий клас речовин називається катенанів від латинського catena – "ланцюг" (на малюнку – речовина B).

На кожному з кілець катена крім просто -CH2-груп можуть бути розташовані практично будь-які функціональні групи. Це призводить до дуже цікавим хімічним властивостям катенанів – вони поводяться як суміш двох речовин, але яку в принципі не можна розділити, і виявляють все властивості кожного з кілець. За фізичними властивостями вони схожі на звичайні лінійні полімери – наприклад, при не дуже великому n це в'язкі масла.

завдання

Але хіміки пішли далі і придумали клас речовин, що володіють вкрай несподіваними властивостями: їх в'язкість і пружність сильно залежать від геометричної форми. Наприклад, таку речовину в склянці може виглядати як масло, але якщо його почати виливати тонкою цівкою, або навіть просто потягнути за поверхню, то воно витягується в нитку (досить пружну), яка рветься при подальшому розтягуванні. А якщо таку нитку зім'яти, то вона знову перетворюється в масло.

запропонуйте структуру цього класу речовин і поясніть, Чому вони мають такі властивості.


Підказка 1

Зверніть увагу на опис фізичних властивостей лінійних і циклічних полімерів.


Підказка 2

Шукане речовина має бути чимось схожим і на лінійні полімери, і на циклічні, а ще для чогось (напевно не дарма) було сказано про Катена …


Рішення

Речовина, що володіє такими дивними властивостями, має поєднувати в собі дві різні структури. Одну – схожу на довгий лінійний полімер (досить міцні нитки), іншу – на низькомолекулярний, можливо циклічний полімер (в'язке масло).

Якщо продовжити ідею катена і з'єднати в довгий ланцюг (не хімічним, а механічно, як ланки) багато кілець (теж досить великих), то вийде якраз потрібний полімер. Поки деформації невеликі і кільця знаходяться один від одного на відстані порядку їх власного розміру, властивості будуть такими ж, як у циклічного полімеру, що складається з незацепленних кілець. Але як тільки ми добре потягнемо, все кільця випростовується і будуть міцно триматися один за одного, і полімер почне проявляти такі ж властивості, як довгий лінійний, – буде утворювати міцні волокна або плівки.


Післямова

У хімії високомолекулярних сполук відомо досить багато прикладів речовин, що володіють незвичайними і цікавими властивостями. Ті ж рідкі кристали, на базі яких створювалися всілякі індикатори – монітори комп'ютера, електронні табло і т. П. По суті, це молекули, але знаходяться в розплаві не зовсім в хаотичному стані (як у випадку «нормальних» рідин), а впорядковані в якомусь напрямку.Наприклад, молекули витягнуті, і їх довгі осі спрямовані переважно в одному напрямку. Додаток додаткового поля (електростатичного) утворює, наприклад, шари, в результаті чого прозорість змінюється і на екрані індикатора стають помітні цифри.

Інший приклад – так звані неньютонівські рідини, в'язкість яких дуже швидко зростає при збільшенні швидкості руху. Іншими словами, при різких рухах вони стають пружними, як гума, а при плавних – рідкими, як масло (див. Зйомку того, як поводиться розчин крохмалю у воді при дотиках) … Причина цього – взаємодії між тими ж полімерними молекулами. При різких рухах молекули не встигають прослизати відносно один одного і поводяться, як твердий, пружний полімер. А при повільних – встигають, і рідина «тече» звичайним способом. Наприклад, кулька з такої рідини може навіть відскочити від статі, якщо його кинути вниз, а потім розтектися в калюжку, якщо його залишити лежати на підлозі надовго. Ще один приклад такої рідини – скло (до речі, теж представляє собою полімер з довгих силікатних ланцюжків).За короткі тимчасові інтервали воно поводиться, як тіло тверде, пружне і крихке, а ось протягом тривалого часу воно тече, як в'язка рідина. Відомі приклади, коли скла в старовинних будівлях виявлялися істотно товщі в нижній частині ніж у верхній.

Таким чином, на базі полімерів можна створювати дивовижні матеріали, що володіють абсолютно різними (і часто суперечливими) якостями в залежності від временнпрого діапазону (крихкість-плинність скла), просторового (наші Катена), температурного і всіляких інших. Наприклад, «ефект пам'яті форми» (відомий на прикладі сплаву титану з нікелем, коли зволікання, вигнута певним чином і випрямлена при іншій температурі, схильна повертати свою форму при поверненні в той температурний інтервал), швидше за все, або вже відтворено на полімери будь то особливої ​​структури, або на цю тему ведуться інтенсивні дослідження.

У будь-якому випадку, велика кількість можливостей по організації взаємодій різної природи (механічних, хімічних, електричних) і різних просторово-часових масштабів дозволяє отримувати як завгодно цікаві ефекти на макрорівні. І ця область чекає своїх дослідників і розробників.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: