ما الأشياء التي تربطها بالعالم الحديث من حيث التكنولوجيا؟ أجهزة الكمبيوتر ، الروبوتات ، المركبات الفضائية ، الأعضاء الاصطناعية ، الاستنساخ ، إلخ. إن الاكتشافات والأبحاث في هذه المجالات وغيرها تشبه ومضات ساطعة للألعاب النارية - نراها ونسمعها ونفاجأ وديًا بقول شيء مثل "رائع" أو "رائع ، رائع". ونعم ، عندما تقرأ أنه بعد 5 سنوات يخططون لإجراء عملية زرع رئة اصطناعية لشخص ما ، فأنت تدرك أننا نعيش في عالم رائع حيث يصبح كل شيء مستحيلًا في السابق حقيقيًا. ومع ذلك ، سنتحدث اليوم عن التكنولوجيا ، التي أصبحت مساهمتها في حياتنا هائلة ، على الرغم من أننا نعتبرها الآن أمرا مفروغا منه. سيكون عن البوليمرات الاصطناعية. بتعبير أدق ، التوليف العفوي لشبكة بوليمر متجانسة بالحرارة. قد يبدو لشخص ما أن هذه لغة بذيئة علمية أخرى يصعب إدراكها ، ولكن ليس كل شيء معقدًا وأكثر إثارة للاهتمام هنا. دعونا نرى كيف تمكن العلماء من إنشاء نوع جديد من البوليمر وما هو خاص بهم. دعنا نذهب.
الخلفيةلكن أولاً ، انحراف صغير في التاريخ أو المصطلحات.
البوليمرات ليست مواد اصطناعية ، أي أنها لم تخلق من قبل البشر في شكلها الأصلي. حاصرتنا البوليمرات قبل فترة طويلة من العصر الذهبي للعلوم أو الثورة الصناعية. البروتينات ، السكريات ، الأحماض النووية وما إلى ذلك - كل هذه بوليمرات ، بوليمرات حيوية أكثر دقة. هذه فئة من البوليمرات الموجودة في جميع الكائنات الحية أو النباتات أو الحيوانات. نحن أنفسنا تتكون من البوليمرات الحيوية.
أحد الأمثلة اللافتة على البوليمرات الحيوية هو الحلزون المزدوج للحمض النووي.البوليمر عبارة عن مادة تتكون من وحدات مونومرات مرتبطة ببعضها البعض في جزيئات كبيرة طويلة.
إذا تحدثنا عن العلاقة بين الإنسان والبوليمر ، كهدف للدراسة ، فإن التاريخ ينشأ منذ وقت طويل. في منتصف القرن التاسع عشر ، كان العالم ألكسندر بتلروف أول من قام بتجربة البلمرة ، وبذلك أثبت تجريبًا أنه من الممكن تغيير بنية الجزيء ، بينما سيظل تكوينه ووزنه كما هو. كان هذا العمل تأكيدًا لتصريحاته ، والتي نمت فيما بعد لتصبح "نظرية التركيب الكيميائي".
أساسيات نظرية بتلروف:
- بناءً على تكافؤها ، ترتبط ذرات الجزيئات ببعضها البعض في تسلسل معين. هذا التسلسل يسمى التركيب الكيميائي.
- لا تعتمد خصائص المادة على الذرات التي تشكلها فحسب ، بل تعتمد أيضًا على تسلسل اتصال الذرات في الجزيء.
- بمعرفة خصائص المادة ، يمكن للمرء تحديد هيكلها الجزيئي. والعكس صحيح.
- تؤثر الذرات ومجموعاتها على بعضها البعض داخل الجزيء.
الكسندر ميخائيلوفيتش بتلروفأصبح مثل هذا الاكتشاف نظرة جديدة جذرية حقًا على بنية المواد وعمل كأساس للنظرية الحديثة للهيكل الكيميائي.
في وقت لاحق ، في عام 1906 ، تلقى الكيميائي الأمريكي ليو باكلاند راتينج الباكليت ، وهو منتج تكثيف للفينول والفورمالديهايد. كان هذا أول ظهور لبوليمر عضوي اصطناعي.
وهكذا بدأت الرحلة الطويلة والناجحة للبوليمرات الاصطناعية. بمرور الوقت ، ظهر المزيد والمزيد من الأنواع الجديدة ، التي تمتلك خصائص أكثر وأكثر تميزًا. الآن ، من أجل إظهار انتشار البوليمرات ، ما عليك سوى النظر حولك. ولا يهم ما إذا كنت في المنزل أو في الهواء الطلق ، فهناك بوليمرات اصطناعية في كل مكان تقريبًا: أقلام قرطاسية وحافظات كمبيوتر وأجزاء في السيارات وأكياس بقالة وحفاضات والمزيد.
هذا الاكتشاف ، على الرغم من أننا نعتبره الآن أمرا مفروغا منه ، فقد أحدث ثورة حقيقية في الكيمياء ، والتي أدت إلى ثورة في مجموعة متنوعة من التقنيات وفي حياتنا ككل.
أساسيات الدراسةتركز هذه الدراسة على فئة محددة من البوليمرات الاصطناعية - بالحرارة. في المقابل ، توجد بوليمرات لدن بالحرارة.
تحتوي جزيئات البوليمرات المتصلبة بالحرارة على بنية خطية ، مثل جزيئات البوليمرات المتلدنة بالحرارة. ومع ذلك ، هناك فرق مهم: جزيئات الأولى قادرة على الاندماج في مجموعات. تحت إجراء معين ، كقاعدة عامة ، يتم تكوين التدفئة ، شبكة مكانية مستمرة (متجانسة) ، لذلك يصبح التركيب الجزيئي لبوليمر بالحرارة غير خطي.
بالمناسبة ، راتنج الباكليت ، الذي ذكرناه سابقًا ، يشير على وجه التحديد إلى البوليمرات المتصلبة بالحرارة.
هناك فرق مهم بين البوليمرات الحرارية والبوليمرات بالحرارة هو أنه عند تسخينه ، يلين ويذوب الأول ، ويصلب عند تبريده. لكن البوليمر المتصلب بالحرارة عند تعرضه لتدمير كيميائي لا رجعة فيه ، ولكنه لا يذوب.
تتميز البوليمرات المتصلبة بالحرارة بالعديد من المزايا (السعر المنخفض ، ومقاومة العوامل الخارجية ، وما إلى ذلك) ، وبالطبع ، العيوب (السمية ، والهشاشة ، وعملية التكوين الطويلة ، وما إلى ذلك).
سيتم مناقشة إنشاء بوليمر متجانس بالحرارة في دراسة اليوم. قرر العلماء تحسين هذه العملية من خلال تبسيطها. طريقة إنشاء بنية شبكة من
البوليمرات أحادية النقط * بسيطة حقًا - خلط المركبات الضرورية. وبعبارة أخرى ، صلصة الخل الكيميائية ، التي تختارها تجريبيًا لتحقيق "المذاق" المثالي في الإخراج.
بوليمرات أحادية التشتت * - بوليمرات تتكون من جزيئات كبيرة متطابقة.
لتحقيق هذا الهدف ، قام العلماء بدمج
البلمرة * مع معدل تفاعل مرتفع
وتشابك * مع معدل تفاعل منخفض (مقارنة بالبلمرة). نقطة مهمة هي أن كلا التفاعلين لهما محفز مشترك.
البلمرة * هي عملية إنشاء مركب ذو وزن جزيئي مرتفع ، عندما ترتبط جزيئات المونومر بالتتابع بالمركز النشط في نهاية سلسلة النمو ، والتي تشكل جزيء البوليمر.
التشابك * هو تفاعل تكوين الروابط الكيميائية المستعرضة من الجزيئات الكبيرة مع تكوين شبكة مكانية.
قرر العلماء استخدام عمل زملائهم وأسلافهم في عملهم. على وجه الخصوص ، البلمرة الجذرية في وضع السلاسل الحية ، عندما يكون من الممكن في وقت قصير الحصول على أكثر المتغيرات المختلفة للبوليمرات أحادية التشتت اللازمة لهذه الدراسة.
مخطط إنشاء البوليمرفي سياق التجارب ، تم الحصول على عينة من شبكة بوليمر ، تتكون من بوليمرات ذات
MMP * صغيرة ، باستخدام طرق
بادئ متعدد الوظائف
* ونهاية متعددة الوظائف
* .
MMP * - توزيع الوزن الجزيئي هو نسبة الجزيئات الكبيرة للأوزان الجزيئية المختلفة في البوليمر.
البادئ * - مادة تتحلل بسهولة إلى الجذور الحرة. يتم استخدامه لبدء البلمرة الجذرية بإضافة هذه المادة (لا يزيد عن 1 ٪ بالوزن من المونومر).
المنهي * - مادة تكون أساس تفاعل الإنهاء عندما يتوقف تكوين الوسطيات التفاعلية في مرحلة إنشاء السلسلة أثناء البلمرة.
في هذه التجربة ، من أجل الإنهاء ، تم تحضير البوليمرات ذات MMP الصغيرة مقدمًا عن طريق البلمرة الجذرية في وضع السلسلة الحية. ثم تم ربط هذه البوليمرات بعدة سلاسل بوليمر لتشكيل بوليمر على شكل نجمة (الرسم البياني أعلاه ، الصورة
ج ). بعد خلط "المكونات" الضرورية ، يحدث تفاعلان بشكل تسلسلي بمعدلات مختلفة (كما ذكرنا سابقًا) ، مما أدى إلى تكوين هلام بوليمر مع شبكة متجانسة نسبيًا هيكل.
نتائج التجاربDMF / H 2 O: تقييم النسبة المثلى للمكوناتأثناء بلمرة مونومرات الفينيل باستخدام النحاس (كمحفز) ومركب عضوي مهلجن (كمبادر) في محلول
ثنائي ميثيل فورماميد * (DMF) والماء ، يحدث تفاعل
غير متناسب * من النحاس ، مما يؤدي إلى البلمرة الجذرية في وضع سلسلة المعيشة التي تبدأ عن طريق نقل الإلكترون.
Dimethylformamide * - (CH 3 ) 2 NC (O) H عبارة عن مادة عضوية تستخدم في هذه الحالة كمذيب لإنشاء البوليمر.
عدم التناسب * - تفاعل كيميائي عندما يعمل أحد العناصر كعامل مؤكسد وعامل اختزال في نفس الوقت.
تسمح لك هذه التقنية بالحصول على كمية كافية من البوليمر المطلوب في وقت قصير.
باستخدام البادئ متعدد الوظائف (tetra pentaerythritol 2-chloropropionate - C
37 H
68 O
8 ) البلمرة الجذرية في وضع السلاسل الحية التي بدأت عن طريق نقل الإلكترون ، كان من الممكن تجميع بوليمر على شكل نجمة من أربعة بوليمرات أحادية مشتتة.
من أجل التحقق من كيفية تأثير تركيبة المحلول على عملية البلمرة ، تم استخدام C
37 H
68 O
8 كمبادر في محلول ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) والماء (H
2 O) ، عندما كانت نسبة DMF 25 أو 50 أو 75٪٪. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام N-isopropylacrylamide ((C
6 H
11 NO)
n ) كمونمر فينيل لتكوين بوليمر بالحرارة. كانت درجة حرارة البلمرة 4 درجات مئوية.
الصورة رقم 1:
أ) رسم تخطيطي لعملية تحويل المونومر إلى بوليمر اعتمادًا على وقت التفاعل ؛
ب) اعتبار البلمرة بمثابة تفاعل أولي يعتمد على الرسم البياني أ ؛
ج) هي نسبة متوسط الوزن الجزيئي للبوليمر الذي تم الحصول عليه والتحويل (تحويل المونومر إلى بوليمر) ؛
د) العلاقة بين توزيع الوزن الجزيئي (MMP) والتحويل.توضح الرسوم البيانية أعلاه معًا عملية البلمرة ، حيث يعمل C
37 H
68 O
8 و (C
6 H
11 NO)
n و CuCl (كلوريد النحاس) كعامل حفاز ، و C
12 H
30 N
4 ليجندهم * . تم إذابة كل من المحفز والليجاند في نظام مذيب بتركيبة مختلفة من DMF / H
2 O في الأرجون.
Ligand * - جزيء أو ذرة أو أيون مرتبط بمركز معين.
بعد خلط جميع المكونات ، استمرت بلمرة N-isopropylacrylamide. عندما وصلت نسبة DMF إلى 25٪ ، تم استخدام معظم N-isopropyl acrylamide بعد ساعتين.
عند تركيز DMF بنسبة 50٪ ، تباطأت العملية قليلاً ، ولكن تم استخدام حوالي 95٪ من N-isopropylacrylamide بعد 4 ساعات. وقد لوحظ بالفعل انخفاض كبير في هذا المؤشر (67 ٪ في 24 ساعة) مع حصة DMF بنسبة 75 ٪.
أظهر تحليل البيانات أنه من أجل تحقيق أفضل نتيجة البلمرة ، يجب أن تكون نسبة DMF من 25 إلى 50٪. بالفعل عند 60 vol.٪ يزداد مؤشر MMP في النصف الثاني من العملية ، وعند 75 vol.٪ - العملية برمتها معقدة للغاية وتتباطأ.
تأثير تركيبة المذيب ودرجة الحرارة على تورم جل البوليمرالبوليمرات لها خاصية التورم ، أي زيادة حجمها بسبب امتصاص السائل ، مع الحفاظ على خاصية عدم السيولة.
في هذه الحالة ، من الضروري أن يكون المذيب ذو جودة مناسبة ، إذا جاز التعبير. بما أن البوليمرات تتراكم وترسب أثناء تركيب الهلام في مثل هذه المذيبات ، فإن ذلك يمنع تكوين جيل بوليمر بهيكل شبكة متجانس. أي أن نتيجة هذا الإجراء ستكون معاكسة تمامًا لما كان متوقعًا.
بالنسبة للتجارب ، استخدمنا بوليمر جل أسطواني مصنوع من البلمرة الجذرية الكلاسيكية مع بيسكراميد الميثيلين (C7H10N2O2) كعامل "تشابك".
تم تحضير عينة الهلام هذه في الماء عند 4 درجات مئوية. درجة الحرارة هذه ليست عرضية. عند 4 درجات مئوية ، يصبح الماء مذيبًا ممتازًا لبوليمر الاختبار. لذلك ، بالإضافة إلى نسبة مكونات المذيب ، تلعب درجة الحرارة أيضًا دورًا مهمًا.
الصورة رقم 2يوضح الرسم البياني أعلاه درجة تورم هلام البوليمر عند درجات حرارة مختلفة والمذيب DMF / H
2 O بتركيبة مختلفة. درجة التورم (
L / L0 ) هي نسبة طول هلام البوليمر في وقت التحضير (
L0 ) وتحت ظروف معينة (
L ) محددة تجريبيًا.
عند درجة حرارة ≤ 35 ° C و ≤ 50 vol.٪ DMF ، إذا زاد حجم الماء ، يبدأ الهلام بالانتفاخ بشكل نشط ، ولكن عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 40 ° C يتقلص.
إذا كان الحجم٪ DMF يساوي أو أكبر من 50 ، يصبح تأثير درجة الحرارة أقل ملحوظة ، ومع ذلك ، لا يزال التورم يحدث إذا كان حجم DMF كبيرًا جدًا.
عندما يكون مؤشر التورم L / L0 ≤ 1 ، يصبح من المستحيل الحصول على هلام البوليمر المطلوب ، أي يجب أن يكون هذا المؤشر مساوياً أو أكبر من 1. وهذا يتوافق مع الشروط التالية: درجة الحرارة لا تزيد عن 20 درجة مئوية ، ونسبة حجم DMF في المذيب ليست أعلى من 50٪ .
إنشاء جل بوليمر متجانسبالإضافة إلى المركبات المذكورة أعلاه ، تم استخدام tetraallyl glycolauryl (TA-G) ، وهو مكون من مجموعة allyl من الجذور ، في تحضير هلام البوليمر المستقبلي.
في عملية التجربة ، زادت اللزوجة تدريجيًا ، لكن خليط الاختبار ظل في المحلول حتى علامة 5 ساعات من بداية التجربة. عند هذه النقطة ، ينشط C
37 H
68 O
8 البلمرة. ومع ذلك ، مع جزء حجم حجم DMF من 25٪.٪ ، حدث تجميد العينة فقط بعد 6 ساعات.
الصورة رقم 3: عملية معالجة الهلام عند حجم 25٪٪ DMF ودرجة حرارة 4 درجات مئوية.في هذه الحالة ، يعمل TA-G كمُنهي لإكمال عملية البلمرة ، وبالتالي تشكيل هلام بوليمر. لتحقيق هذه النتيجة ، تمت إضافة 5 مكافئات من TA-G في C
37 H
68 O
8 .
إذا تم استخدام مكافئ واحد فقط من TA-G ، زادت اللزوجة ، ولكن لم يلاحظ أي تصلب. عند 2 TA-G - لوحظت اللزوجة الجزئية عند 3 أو أكثر - ممتلئة ، وعند 5 - تم الحصول على هلام بوليمر شفاف ومرن.
الصورة رقم 4يوضح الشكل
4 أ التركيبات الكيميائية لـ C
37 H
68 O
8 و TA-G.
4 ب هي نتائج كروماتوغرافيا استبعاد البوليمر التي تم الحصول عليها عن طريق التحلل المائي لبوليمر نجمي.
يوضح 4 ج نتائج كروماتوغرافيا استبعاد البوليمر التي تم الحصول عليها عن طريق التحلل المائي لشبكة بوليمر.
يُظهر الفيديو أعلاه عينتين من هلام البوليمر: تجريبي (أزرق) وتم الحصول عليه عن طريق البلمرة الجذرية التقليدية (أبيض). كما نرى ، الفرق واضح تمامًا. (
رابط تنزيل الفيديو (التلقائي) )
تقرير العلماء عن هذه الدراسة متاح
هنا .
ومواد إضافية لها -
هنا .
الخاتمةتمكن العلماء من إنشاء نوع جديد من هلام البوليمر المتصلب بالحرارة مع خصائص متميزة. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحسين طريقة التصنيع أيضًا بطريقة تجعل من الممكن إنشاء كمية كبيرة من الجل في وقت قصير.
يتم استخدام هذه المواد بشكل غير مقصود في مجموعة متنوعة من التقنيات ، من الطب إلى استكشاف الفضاء. ليس هناك شك في ذلك ، لكن الباحثين لن يندفعوا ، لأن هذا الاكتشاف يتطلب التحسين ، على الرغم من النتائج المفاجئة بالفعل.
بالنظر إلى هذه الدراسة ، بالإضافة إلى العمل في مجال الذكاء الاصطناعي ، واستخدام البكتيريا في مختلف التقنيات ، وما إلى ذلك ، تبدأ في التفكير في حقيقة أن Flabber (كوميديا 1997) ليست مثل الخيال العلمي.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب
هنا .
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟