Физика полимеров
Физика полимеров — раздел физики, изучающий строение и физические свойства полимеров, термодинамику последних и их растворов, макромолекул и полимерных сеток, релаксационные явления (механическая, электрическая и магнитная релаксация).
Важные понятия
- Полимер
- Макромолекула
- Глобула
- Эффект Керра
- Сегмент Куна и персистентная длина
- Вязкоупругость
- Температура стеклования
История
В XIX веке ученые всё ещё придерживались мнения, что полимеры — сравнительно простые по своей структуре соединения, объясняя их свойства изомеризмом.
В 1858 году Карл Вильгельм фон Негели предложил мицеллярную теорию полимеров, согласно которой большие молекулы есть совокупность малых молекул, удерживаемых вместе слабыми межмолекулярными силами. Физики и химики того времени были уверены в том, что очень большие соединения должны обладать сниженной молекулярной организацией и подлежат самораспаду.
В 1920 год Штаудингер создал целостную макромолекулярную теорию строения полимеров — длинно-цепочечных молекул, состоящих из небольшого числа десятки и сотни раз повторяющихся соединений . Он утверждал, что молекула натурального каучука (полимер) — это настоящая устойчивая молекула, состоящая из цепи звеньев, удерживаемых вместе с помощью простых связей, и содержащая тысячи атомов.
Придерживаясь того мнения, что макромолекулы — жёсткие стержни, Штаудингер раскритиковал экспериментальные доказательства, собранные Германом Фрэнсисом Марком и , которые указывали на то, что полимеры могу существовать в виде гибких цепей, так и в виде мицелоподобных связок. Г. Ф. Марк и ввели концепцию гибких цепей.
Первым ученым, применившим метод статистической механики для полимеров, стал швейцарский физик , а вскоре его применили Герман Фрэнсис Марк и [англ.] в Вене. Они исследовали явление высокоэластичности. Оказалось, что высокоэластичность имеет энтропийную природу: при растяжении полимерного образца составляющие его цепные макромолекулы распрямляются — энтропия при этом уменьшается, тем самым свободная энергия образца возрастает.
Позже П. Флори обнаружил, что если конфигурация малых молекул в растворе может быть точно описана с помощью вероятностно-статистического подхода, то при большом размере полимерных молекул этот подход становится ненадёжным. Ситуация полностью меняется, когда температура раствора понижается до определённого значения, которое варьируется в зависимости от типа полимера. При таких значения температуры раствор имеет свойства «идеального» раствора. Флори назвал такое значение температуры θ-точкой (тета-точкой).
Статистическая физика полимеров
В конце 60-х годов было выяснено, что некоторые принципиальные проблемы биофизики могут быть сформулированы как задачи физики макромолекул, а также задачи оказались тесно связанными с самыми актуальными общефизическими проблемами. Это привлекло к теории полимеров внимание ряда крупнейших физиков-теоретиков, прежде всего И. М. Лифшица, С. Ф. Эдвардса, П. Ж. де Жена.
Ж. де Клуазо и П. Ж. де Жен выявили прямую аналогию между изменением вида жидких кристаллов и фазовым переходом металла в сверхпроводящее состояние. Также де Жен показал, что статистика одиночной длинной полимерной цепочки в хорошем растворителе эквивалентна статистике магнетика вблизи фазового перехода второго рода.
С. Эдвардс (ранее) и И. М. Лифшиц (независимо и подробнее) установили математическую аналогию между статистической механикой полимерной цепочки и квантовой механикой частицы во внешнем потенциальном поле. С. Эдвардс показал, что статистическая сумма по всем возможным контурам полимера в пространстве может быть истолкована по аналогии с интегралом по траекториям Фейнмана, Лифшиц получил для полимерной цепи аналог уравнения Шредингера. Позднее Лифшицем и его учениками А. Ю. Гросбергом и А. Р. Хохловым были найдены для полимерной цепи и классические результаты для полимерной глобулы в растворе.
В одной из работ И. М. Лифшица речь впервые зашла о том, что в одной полимерной молекуле могут быть фазовые переходы. Впервые состояние флуктуирующего клубка и сжатой глобулы были поняты как две различные фазы.
Практическое применение физики и физхимии полимеров
Первые разработки в области полимеров были связаны с преобразованием уже существующих натуральных полимеров в более удобные продукты. Чарльз Гудийр в 1839 году изобрел способ переработки натурального каучука и серы в вулканизированный каучук (резину), который не плавится летом и не замерзает зимой. Кристиан Шёнбейн в 1846 году превратил хлопок в нитроцеллюлозу, которая может быть растворена специальными растворителями и залита в форму. Его работа была продолжена Джоном Уэсли Хайаттом, который получил целлулоид — твёрдую смесь нитроцеллюлозы и камфоры, из которой можно было формировать различные изделия. Такими были первые попытки расширить спектр доступных в производстве материалов.
Примечания
- H. Staudinger, Über Polymerisation (недоступная ссылка), 53 (6), S. 1073 (1920)
- F. Eirich, H. Mark, Hochmolekulare Stoffe in Lösung (недоступная ссылка), 15, S. 1 (1936)
- E. Guth, H. Mark, Zur innermolekularen Statistik, insbesondere bei Kettenmolekülen. I (недоступная ссылка), 65 (1), S. 93 (1934)
- H. M. James, E. Guth, Theory of the Elastic Properties of Rubber (недоступная ссылка), J. Chem. Phys. 11, p. 455 (1943)
- P. J. Flory, , Cornell University Press, 1953
- J. des Cloizeaux, The Lagrangian theory of polymer solutions at intermediate concentrations (недоступная ссылка), 36 (4), p. 281 (1975)
- S. F. Edwards, The statistical mechanics of polymers with excluded volume, 85 (4), p. 613 (1965)
- И. М. Лифщиц, Некоторые вопросы статистической теории биополимеров, ЖЭТФ 55, стр. 2408 (1968)
- И. М. Лифшиц, А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов, Объемные взаимодействия в статистической физике полимерной макромолекулы Архивная копия от 14 сентября 2013 на Wayback Machine, УФН 127 (3) (1979)
Литература
- Дой М., Эдвардс С. Динамическая теория полимеров. — 2-е изд. — М.: Мир, 1998. — 440 с.
- Де Жен. П. Идеи скейлинга в физике полимеров. — М.: Мир, 1982. — 368 с.
- Бартенев Г. М., Френкель С. Я. Физика полимеров. — Л.: Химия, 1990. — 433 с. — 3800 экз. — ISBN 5-7245-0554-1.
- Strobl G. R. The Physics of Polymers. — 3rd ed. — Springer, 2007. — 518 с. — ISBN 978-3-540-25278-8.
- Morris P. J. T. Polymer Pioneers: A Popular History of the Science and Technology of Large Molecules. — Chemical Heritage Foundation, 2005. — 88 с. — ISBN 9780941901031.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Физика полимеров, Что такое Физика полимеров? Что означает Физика полимеров?
Fizika polimerov razdel fiziki izuchayushij stroenie i fizicheskie svojstva polimerov termodinamiku poslednih i ih rastvorov makromolekul i polimernyh setok relaksacionnye yavleniya mehanicheskaya elektricheskaya i magnitnaya relaksaciya Vazhnye ponyatiyaPolimer Makromolekula Globula Effekt Kerra Segment Kuna i persistentnaya dlina Vyazkouprugost Temperatura steklovaniyaIstoriyaV XIX veke uchenye vsyo eshyo priderzhivalis mneniya chto polimery sravnitelno prostye po svoej strukture soedineniya obyasnyaya ih svojstva izomerizmom V 1858 godu Karl Vilgelm fon Negeli predlozhil micellyarnuyu teoriyu polimerov soglasno kotoroj bolshie molekuly est sovokupnost malyh molekul uderzhivaemyh vmeste slabymi mezhmolekulyarnymi silami Fiziki i himiki togo vremeni byli uvereny v tom chto ochen bolshie soedineniya dolzhny obladat snizhennoj molekulyarnoj organizaciej i podlezhat samoraspadu V 1920 god Shtaudinger sozdal celostnuyu makromolekulyarnuyu teoriyu stroeniya polimerov dlinno cepochechnyh molekul sostoyashih iz nebolshogo chisla desyatki i sotni raz povtoryayushihsya soedinenij On utverzhdal chto molekula naturalnogo kauchuka polimer eto nastoyashaya ustojchivaya molekula sostoyashaya iz cepi zvenev uderzhivaemyh vmeste s pomoshyu prostyh svyazej i soderzhashaya tysyachi atomov Priderzhivayas togo mneniya chto makromolekuly zhyostkie sterzhni Shtaudinger raskritikoval eksperimentalnye dokazatelstva sobrannye Germanom Frensisom Markom i kotorye ukazyvali na to chto polimery mogu sushestvovat v vide gibkih cepej tak i v vide micelopodobnyh svyazok G F Mark i vveli koncepciyu gibkih cepej Pervym uchenym primenivshim metod statisticheskoj mehaniki dlya polimerov stal shvejcarskij fizik a vskore ego primenili German Frensis Mark i angl v Vene Oni issledovali yavlenie vysokoelastichnosti Okazalos chto vysokoelastichnost imeet entropijnuyu prirodu pri rastyazhenii polimernogo obrazca sostavlyayushie ego cepnye makromolekuly raspryamlyayutsya entropiya pri etom umenshaetsya tem samym svobodnaya energiya obrazca vozrastaet Pozzhe P Flori obnaruzhil chto esli konfiguraciya malyh molekul v rastvore mozhet byt tochno opisana s pomoshyu veroyatnostno statisticheskogo podhoda to pri bolshom razmere polimernyh molekul etot podhod stanovitsya nenadyozhnym Situaciya polnostyu menyaetsya kogda temperatura rastvora ponizhaetsya do opredelyonnogo znacheniya kotoroe variruetsya v zavisimosti ot tipa polimera Pri takih znacheniya temperatury rastvor imeet svojstva idealnogo rastvora Flori nazval takoe znachenie temperatury 8 tochkoj teta tochkoj Statisticheskaya fizika polimerovOsnovnaya statya V konce 60 h godov bylo vyyasneno chto nekotorye principialnye problemy biofiziki mogut byt sformulirovany kak zadachi fiziki makromolekul a takzhe zadachi okazalis tesno svyazannymi s samymi aktualnymi obshefizicheskimi problemami Eto privleklo k teorii polimerov vnimanie ryada krupnejshih fizikov teoretikov prezhde vsego I M Lifshica S F Edvardsa P Zh de Zhena Zh de Kluazo i P Zh de Zhen vyyavili pryamuyu analogiyu mezhdu izmeneniem vida zhidkih kristallov i fazovym perehodom metalla v sverhprovodyashee sostoyanie Takzhe de Zhen pokazal chto statistika odinochnoj dlinnoj polimernoj cepochki v horoshem rastvoritele ekvivalentna statistike magnetika vblizi fazovogo perehoda vtorogo roda S Edvards ranee i I M Lifshic nezavisimo i podrobnee ustanovili matematicheskuyu analogiyu mezhdu statisticheskoj mehanikoj polimernoj cepochki i kvantovoj mehanikoj chasticy vo vneshnem potencialnom pole S Edvards pokazal chto statisticheskaya summa po vsem vozmozhnym konturam polimera v prostranstve mozhet byt istolkovana po analogii s integralom po traektoriyam Fejnmana Lifshic poluchil dlya polimernoj cepi analog uravneniya Shredingera Pozdnee Lifshicem i ego uchenikami A Yu Grosbergom i A R Hohlovym byli najdeny dlya polimernoj cepi i klassicheskie rezultaty dlya polimernoj globuly v rastvore V odnoj iz rabot I M Lifshica rech vpervye zashla o tom chto v odnoj polimernoj molekule mogut byt fazovye perehody Vpervye sostoyanie fluktuiruyushego klubka i szhatoj globuly byli ponyaty kak dve razlichnye fazy Prakticheskoe primenenie fiziki i fizhimii polimerovPervye razrabotki v oblasti polimerov byli svyazany s preobrazovaniem uzhe sushestvuyushih naturalnyh polimerov v bolee udobnye produkty Charlz Gudijr v 1839 godu izobrel sposob pererabotki naturalnogo kauchuka i sery v vulkanizirovannyj kauchuk rezinu kotoryj ne plavitsya letom i ne zamerzaet zimoj Kristian Shyonbejn v 1846 godu prevratil hlopok v nitrocellyulozu kotoraya mozhet byt rastvorena specialnymi rastvoritelyami i zalita v formu Ego rabota byla prodolzhena Dzhonom Uesli Hajattom kotoryj poluchil celluloid tvyorduyu smes nitrocellyulozy i kamfory iz kotoroj mozhno bylo formirovat razlichnye izdeliya Takimi byli pervye popytki rasshirit spektr dostupnyh v proizvodstve materialov PrimechaniyaH Staudinger Uber Polymerisation nedostupnaya ssylka 53 6 S 1073 1920 F Eirich H Mark Hochmolekulare Stoffe in Losung nedostupnaya ssylka 15 S 1 1936 E Guth H Mark Zur innermolekularen Statistik insbesondere bei Kettenmolekulen I nedostupnaya ssylka 65 1 S 93 1934 H M James E Guth Theory of the Elastic Properties of Rubber nedostupnaya ssylka J Chem Phys 11 p 455 1943 P J Flory Cornell University Press 1953 J des Cloizeaux The Lagrangian theory of polymer solutions at intermediate concentrations nedostupnaya ssylka 36 4 p 281 1975 S F Edwards The statistical mechanics of polymers with excluded volume 85 4 p 613 1965 I M Lifshic Nekotorye voprosy statisticheskoj teorii biopolimerov ZhETF 55 str 2408 1968 I M Lifshic A Yu Grosberg A R Hohlov Obemnye vzaimodejstviya v statisticheskoj fizike polimernoj makromolekuly Arhivnaya kopiya ot 14 sentyabrya 2013 na Wayback Machine UFN 127 3 1979 LiteraturaDoj M Edvards S Dinamicheskaya teoriya polimerov 2 e izd M Mir 1998 440 s De Zhen P Idei skejlinga v fizike polimerov M Mir 1982 368 s Bartenev G M Frenkel S Ya Fizika polimerov L Himiya 1990 433 s 3800 ekz ISBN 5 7245 0554 1 Strobl G R The Physics of Polymers 3rd ed Springer 2007 518 s ISBN 978 3 540 25278 8 Morris P J T Polymer Pioneers A Popular History of the Science and Technology of Large Molecules Chemical Heritage Foundation 2005 88 s ISBN 9780941901031
