Mit welchen Dingen verbinden Sie die moderne Welt in Bezug auf Technologie? Computer, Roboter, Raumfahrzeuge, künstliche Organe, Klonen usw. Entdeckungen und Forschungen in diesen und anderen Bereichen sind wie helle Feuerwerksblitze - wir sehen sie, hören sie und staunen gemeinsam und sagen etwas wie „Wow“ oder „Wow, wie cool“. Und ja, wenn Sie lesen, dass sie nach 5 Jahren eine künstliche Lungentransplantation für eine Person planen, verstehen Sie, dass wir in einer wundervollen Welt leben, in der alles bisher Unmögliche real wird. Heute werden wir jedoch über Technologie sprechen, deren Beitrag zu unserem Leben enorm geworden ist, obwohl wir dies jetzt für selbstverständlich halten. Es wird um künstliche Polymere gehen. Genauer gesagt die spontane Synthese eines homogenen wärmehärtbaren Polymernetzwerks. Es mag jemandem scheinen, dass dies eine andere schwer wahrgenommene wissenschaftliche Schimpfsprache ist, aber nicht alles ist hier so kompliziert und viel interessanter. Mal sehen, wie es Wissenschaftlern gelungen ist, einen neuen Polymertyp herzustellen, und was das Besondere an ihnen ist. Lass uns gehen.
HintergrundAber zuerst ein kleiner Exkurs in die Geschichte oder Terminologie.
Polymere sind keine anthropogenen Substanzen, dh sie wurden nicht vom Menschen in ihrer ursprünglichen Form erzeugt. Polymere umgaben uns lange vor dem goldenen Zeitalter der Wissenschaft oder der industriellen Revolution. Proteine, Polysaccharide, Nukleinsäuren usw. - all dies sind Polymere, genauer gesagt Biopolymere. Dies ist eine Klasse von Polymeren, die in allen lebenden Organismen, Pflanzen oder Tieren vorhanden sind. Wir selbst bestehen aus Biopolymeren.
Ein markantes Beispiel für Biopolymere ist die Doppelhelix der DNA.Ein Polymer ist eine Substanz, die aus Einheiten von Monomeren besteht, die zu langen Makromolekülen verbunden sind.
Wenn wir über die Beziehung zwischen Mensch und Polymer als Untersuchungsgegenstand sprechen, dann hat die Geschichte schon vor langer Zeit ihren Ursprung. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts führte der Wissenschaftler Alexander Butlerov als erster ein Experiment zur Polymerisation durch und bewies damit empirisch, dass es möglich ist, die Struktur des Moleküls zu ändern, während seine Zusammensetzung und sein Gewicht gleich bleiben. Diese Arbeit war eine Bestätigung seiner Aussagen, die später zu einer "Theorie der chemischen Struktur" wurden.
Grundlagen von Butlerovs Theorie:
- Aufgrund ihrer Wertigkeit sind die Atome in den Molekülen in einer bestimmten Reihenfolge miteinander verbunden. Diese Sequenz wird als chemische Struktur bezeichnet.
- Die Eigenschaften einer Substanz hängen nicht nur davon ab, welche Atome sie bilden, sondern auch von der Reihenfolge der Verbindung der Atome im Molekül.
- Wenn man die Eigenschaften einer Substanz kennt, kann man ihre Molekülstruktur bestimmen. Umgekehrt.
- Atome und ihre Gruppen beeinflussen sich gegenseitig innerhalb des Moleküls.
Alexander Mikhailovich ButlerovEine solche Entdeckung wurde zu einem radikal neuen Blick auf die Struktur von Substanzen und diente als Grundlage für die moderne Theorie der chemischen Struktur.
Später, 1906, erhielt der amerikanische Chemiker Leo Bakeland Bakelitharz, ein Kondensationsprodukt aus Phenol und Formaldehyd. Dies war das erste Auftreten eines synthetischen organischen Polymers.
So begann die lange und erfolgreiche Reise der synthetischen Polymere. Im Laufe der Zeit tauchten immer mehr neue Arten auf, die immer mehr herausragende Eigenschaften besaßen. Um die Verbreitung von Polymeren zu demonstrieren, müssen Sie sich nur noch umschauen. Und egal, ob Sie zu Hause oder im Freien sind, fast überall gibt es künstliche Polymere: Schreibwarenstifte, Computergehäuse, Teile in Autos, Einkaufstüten, Windeln und vieles mehr.
Diese Entdeckung hat, obwohl wir sie jetzt für selbstverständlich halten, einst eine echte Revolution in der Chemie ausgelöst, die zu einer Revolution in einer Vielzahl von Technologien und in unserem gesamten Leben führte.
Grundlagen des StudiumsDiese Studie konzentriert sich auf eine bestimmte Kategorie synthetischer Polymere - das Duroplast. Im Gegensatz dazu existieren thermoplastische Polymere.
Moleküle aus duroplastischen Polymeren haben eine lineare Struktur wie Moleküle aus thermoplastischen Polymeren. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied: Die Moleküle der ersteren können sich zu Gruppen verbinden. Unter einer bestimmten Wirkung, in der Regel durch Erhitzen, wird ein kontinuierliches (homogenes) räumliches Netzwerk gebildet, so dass die Molekülstruktur des duroplastischen Polymers nichtlinear wird.
Das zuvor erwähnte Bakelitharz bezieht sich übrigens speziell auf duroplastische Polymere.
Ein wichtiger Unterschied zwischen thermoplastischen und duroplastischen Polymeren besteht auch darin, dass das erste beim Erhitzen erweicht und schmilzt und beim Abkühlen aushärtet. Das duroplastische Polymer schmilzt jedoch, wenn es einer irreversiblen chemischen Zerstörung ausgesetzt wird, nicht.
Duroplastische Polymere haben mehrere Vorteile (niedriger Preis, Beständigkeit gegen äußere Faktoren usw.) und natürlich Nachteile (Toxizität, Zerbrechlichkeit, langer Bildungsprozess usw.).
Die Herstellung eines homogenen wärmehärtbaren Polymers wird in der heutigen Studie diskutiert. Wissenschaftler beschlossen, diesen Prozess durch Vereinfachung zu verbessern. Die Methode zur Erzeugung einer Netzwerkstruktur aus
monodispersen Polymeren * ist wirklich einfach: Mischen der erforderlichen Verbindungen. Mit anderen Worten, eine chemische Vinaigrette, deren Zutaten Sie experimentell auswählen, um den perfekten „Geschmack“ in der Ausgabe zu erzielen.
Monodisperse Polymere * - Polymere, die aus identischen Makromolekülen bestehen.
Um dieses Ziel zu erreichen, kombinierten die Wissenschaftler die
Polymerisation * mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzung * mit einer niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit (im Vergleich zur Polymerisation). Ein wichtiger Punkt ist, dass beide Reaktionen einen gemeinsamen Katalysator haben.
Polymerisation * ist der Prozess zur Herstellung einer Verbindung mit hohem Molekulargewicht, wenn sich die Monomermoleküle nacheinander an das aktive Zentrum am Ende der wachsenden Kette anlagern, das das Polymermolekül bildet.
Vernetzung * ist die Reaktion der Bildung transversaler chemischer Bindungen von Makromolekülen unter Bildung eines räumlichen Netzwerks.
Wissenschaftler beschlossen, die Arbeit ihrer Kollegen und Vorgänger in ihre Arbeit einzubeziehen. Insbesondere radikalische Polymerisation in der Art lebender Ketten, wenn es in kurzer Zeit möglich ist, die unterschiedlichsten Varianten monodisperser Polymere zu erhalten, die für diese Studie notwendig sind.
PolymererzeugungsschemaIm Verlauf der Versuche wurde unter Verwendung der Methoden eines multifunktionellen
Initiators * und eines multifunktionalen
Terminators * eine Polymernetzwerkprobe erhalten, die aus Polymeren mit einem kleinen
MMP * bestand.
MMP * - Molekulargewichtsverteilung ist das Verhältnis von Makromolekülen mit unterschiedlichen Molekulargewichten im Polymer.
Initiator * - eine Substanz, die sich leicht in freie Radikale zersetzt. Es wird verwendet, um die radikalische Polymerisation durch Zugabe dieser Substanz zu initiieren (nicht mehr als 1 Gew .-% des Monomers).
Terminator * - eine Substanz, die die Grundlage für die Terminierungsreaktion bildet, wenn die Bildung reaktiver Zwischenprodukte im Stadium der Kettenbildung während der Polymerisation aufhört.
In diesem Experiment wurden zur Terminierung Polymere mit kleinem MMP im Voraus durch radikalische Polymerisation im lebenden Kettenmodus hergestellt. Dann wurden diese Polymere an mehrere Polymerketten gebunden, um ein sternförmiges Polymer zu bilden (Diagramm oben, Bild
c ). Nach dem Mischen der erforderlichen "Bestandteile" treten zwei Reaktionen nacheinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf (wie zuvor erwähnt), was zur Bildung eines Polymergels mit einem relativ homogenen Netzwerk führte Struktur.
Die Ergebnisse der ExperimenteDMF / H 2 O: Bewertung des optimalen KomponentenverhältnissesWährend der Polymerisation von Vinylmonomeren unter Verwendung von Kupfer (als Katalysator) und einer halogenierten organischen Verbindung (als Initiator) in einer Lösung von
Dimethylformamid * (DMF) und Wasser findet eine
Disproportionierungsreaktion * von Kupfer statt, die zu einer radikalischen Polymerisation im lebenden Kettenmodus führt, die durch Elektronentransfer initiiert wird.
Dimethylformamid * - (CH 3 ) 2 NC (O) H ist eine organische Substanz, die in diesem Fall als Lösungsmittel zur Herstellung des Polymers verwendet wird.
Disproportionierung * - eine chemische Reaktion, wenn ein Element gleichzeitig als Oxidationsmittel und Reduktionsmittel wirkt.
Diese Technik ermöglicht es Ihnen, in kurzer Zeit eine ausreichende Menge des gewünschten Polymers zu erhalten.
Unter Verwendung einer durch Elektronentransfer initiierten radikalischen Polymerisation mit einem multifunktionalen Initiator (Tetrapentaerythrit-2-chlorpropionat - C
37 H
68 O
8 ) im lebenden Kettenmodus konnte ein sternförmiges Polymer aus vier monodispersen Polymeren synthetisiert werden.
Um zu überprüfen, wie die Zusammensetzung der Lösung den Polymerisationsprozess beeinflusst, wurde C
37 H
68 O
8 als Initiator in einer Lösung von Dimethylformamid (DMF) und Wasser (H
2 O) verwendet, wenn der Anteil an DMF 25, 50 oder 75 Vol .-% betrug. Zusätzlich wurde N-Isopropylacrylamid ((C
6 H
11 NO)
n ) als Vinylmonomer verwendet, um ein duroplastisches Polymer zu bilden. Die Polymerisationstemperatur betrug 4 ° C.
Bild Nr. 1:
a) ist ein Diagramm des Umwandlungsprozesses von Monomer in Polymer in Abhängigkeit von der Reaktionszeit;
b) eine Betrachtung der Polymerisation als primäre Reaktion basierend auf Diagramm a;
c) ist das Verhältnis des durchschnittlichen Molekulargewichts des erhaltenen Polymers und der Umwandlung (Umwandlung von Monomer zu Polymer);
d) ist die Beziehung zwischen Molekulargewichtsverteilung (MMP) und Umwandlung.Die obigen Diagramme zeigen zusammen den Polymerisationsprozess, bei dem C
37 H
68 O
8 , (C
6 H
11 NO)
n und CuCl (Kupferchlorid) als Katalysator und C
12 H
30 N
4 als ihr
Ligand * wirken . Sowohl der Katalysator als auch der Ligand wurden in einem Lösungsmittelsystem mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung von DMF / H
2 O in Argon gelöst.
Ligand * - ein Molekül, Atom oder Ion, das einem bestimmten Zentrum zugeordnet ist.
Nach dem Mischen aller Komponenten wurde die Polymerisation von N-Isopropylacrylamid fortgesetzt. Als der DMF-Anteil 25% erreichte, wurde nach 2 Stunden fast das gesamte N-Isopropylacrylamid verwendet.
Bei einer DMF-Konzentration von 50% verlangsamte sich der Prozess leicht, aber nach 4 Stunden wurden etwa 95% N-Isopropylacrylamid verwendet. Ein signifikanter Rückgang dieses Indikators (67% in 24 Stunden) wurde bereits bei einem DMF-Anteil von 75% beobachtet.
Eine Analyse der Daten zeigte, dass der DMF-Anteil 25 bis 50 Vol .-% betragen sollte, um das beste Polymerisationsergebnis zu erzielen. Für bereits bei 60 Vol .-% steigt der MMP-Index in der zweiten Hälfte des Prozesses und bei 75 Vol .-% - der gesamte Prozess ist sehr kompliziert und verlangsamt sich.
Die Wirkung der Lösungsmittelzusammensetzung und der Temperatur auf das Quellen des PolymergelsPolymere haben die Eigenschaft zu quellen, dh ihr Volumen aufgrund der Absorption der Flüssigkeit zu erhöhen, während ihre Nichtfluiditätseigenschaft beibehalten wird.
In diesem Fall ist es unbedingt erforderlich, dass das Lösungsmittel sozusagen von angemessener Qualität ist. Da das Polymer während der Gelsynthese in solchen Lösungsmitteln aggregiert und ausfällt, verhindert dies die Bildung eines Polymergels mit einer homogenen Netzwerkstruktur. Das heißt, das Ergebnis dieser Aktion wird völlig entgegengesetzt zu dem sein, was erwartet wurde.
Für die Experimente verwendeten wir ein zylindrisches Gelpolymer, das durch klassische radikalische Polymerisation mit Methylenbisacrylamid (C7H10N2O2) als "Vernetzungsmittel" hergestellt wurde.
Diese Gelprobe wurde in Wasser bei 4 ° C hergestellt. Diese Temperatur ist nicht zufällig. Bei 4 ° C wird Wasser ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für das Testpolymer. Daher spielt neben dem Verhältnis der Lösungsmittelkomponenten auch die Temperatur eine wichtige Rolle.
Bild Nr. 2Die obige Grafik zeigt den Quellungsgrad des Polymergels bei verschiedenen Temperaturen und des Lösungsmittels DMF / H
2 O mit einer anderen Zusammensetzung. Der Quellungsgrad (
L / L0 ) ist das Verhältnis der Länge des Polymergels zum Zeitpunkt der Herstellung (
L0 ) und unter bestimmten Bedingungen (
L ) experimentell eingestellt.
Bei einer Temperatur von ≤ 35 ° C und ≤ 50 Vol .-% DMF beginnt das Gel aktiv zu quellen, wenn das Wasservolumen zunimmt, aber wenn die Temperatur auf 40 ° C steigt, zieht es sich zusammen.
Wenn der Vol .-% DMF gleich oder größer als 50 ist, wird der Einfluss der Temperatur weniger spürbar, jedoch tritt immer noch eine Quellung auf, wenn das Volumen des DMF sehr groß ist.
Wenn der Quellindex L / L0 ≤ 1 ist, wird es unmöglich, das gewünschte Polymergel zu erhalten, dh dieser Indikator sollte gleich oder größer als 1 sein. Dies entspricht den folgenden Bedingungen: Die Temperatur ist nicht höher als 20 ° C und der Volumenprozentsatz von DMF im Lösungsmittel ist nicht höher als 50% .
Schaffung eines homogenen PolymergelsZusätzlich zu den obigen Verbindungen wurde Tetraallylglycolauryl (TA-G), eine Komponente aus der Allylgruppe der Radikale, bei der Herstellung des zukünftigen Polymergels verwendet.
Während des Versuchsprozesses stieg die Viskosität allmählich an, aber die Testmischung blieb bis zur Marke von 5 Stunden nach Beginn des Versuchs in Lösung. Zu diesem Zeitpunkt aktiviert C
37 H
68 O
8 die Polymerisation. Bei einem Volumenanteil an DMF von 25 Vol .-% trat die Verfestigung der Probe jedoch erst nach 6 Stunden auf.
Bild Nr. 3: Gelhärtungsprozess bei 25 Vol .-% DMF und einer Temperatur von 4 ° C.In diesem Fall wirkt TA-G als Terminator, der den Polymerisationsprozess vervollständigt und dadurch ein Polymergel bildet. Um dieses Ergebnis zu erzielen, wurden 5 Äquivalente TA-G in C
37 H
68 O
8 zugegeben.
Wenn nur 1 Äquivalent TA-G verwendet wurde, erhöhte sich die Viskosität, es wurde jedoch nie eine Verfestigung beobachtet. Bei 2 TA-G wurde eine Teilviskosität beobachtet, bei 3 oder mehr - voll und bei 5 - wurde ein transparentes und elastisches Polymergel erhalten.
Bild Nr. 4Abbildung
4a zeigt die chemischen Strukturen von C
37 H
68 O
8 und TA-G.
4b sind die Ergebnisse der Polymerausschlusschromatographie, die durch Hydrolyse eines Sternpolymers erhalten wurden.
4c zeigt die Ergebnisse der Polymerausschlusschromatographie, die durch Hydrolyse eines Polymernetzwerks erhalten wurden.
Das obige Video zeigt 2 Proben eines Polymergels: experimentell (blau) und durch herkömmliche radikalische Polymerisation erhalten (weiß). Wie wir sehen können, ist der Unterschied ziemlich offensichtlich. (
Download-Link für (automatisches) Video )
Ein Bericht von Wissenschaftlern zu dieser Studie ist
hier verfügbar.
Und zusätzliche Materialien dazu -
hier .
NachwortWissenschaftlern ist es gelungen, einen neuen Typ eines homogenen wärmehärtbaren Polymergels mit hervorragenden Eigenschaften herzustellen. Darüber hinaus wurde durch sie auch das Herstellungsverfahren so verbessert, dass in kurzer Zeit eine große Menge Gel erzeugt werden konnte.
Dieses Material wird in einer Vielzahl von Technologien, von der Medizin bis zur Weltraumforschung, in einzigartiger Weise versehentlich verwendet. Daran besteht kein Zweifel, aber die Forscher werden sich nicht beeilen, da diese Entdeckung trotz der bereits überraschenden Ergebnisse verfeinert werden muss.
Angesichts dieser Studie sowie der Arbeit auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz, des Einsatzes von Bakterien in verschiedenen Technologien usw. beginnen Sie darüber nachzudenken, dass Flabber (Komödie von 1997) keine solche Science-Fiction ist.
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