پلیمرها: از زنجیرهای مولکولی تا دنیای مدرن
۱. ساختار زنجیرهای: از مونومر تا پلیمر
برای درک پلیمرها، ابتدا باید با واحد سازنده آنها آشنا شویم. این واحدها مونومر نام دارند. مونومرها مولکولهای کوچکی هستند که با پیوستن به یکدیگر، زنجیرههای بلندی به نام پلیمر را میسازند. این فرآیند پیوستن را پلیمریزاسیون میگویند. تصور کنید که یک قطار از واگنهای تکراری تشکیل شده است. هر واگن یک مونومر و کل قطار یک پلیمر است.
برای نمونه، پلیاتیلن که رایجترین پلاستیک جهان است، از پیوند هزاران مونومر اتیلن ساخته میشود. این زنجیرها میتوانند خطی، منشعب یا شبکهای باشند که هر شکل، خواص نهایی ماده را تعیین میکند.
۲. دستهبندی پلیمرها: طبیعت و صنعت در کنار هم
پلیمرها را از نظر منشأ تولید میتوان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد. پلیمرهای طبیعی که در طبیعت یافت میشوند و پلیمرهای مصنوعی که توسط انسان در آزمایشگاهها و کارخانهها ساخته میشوند.
| ویژگی | پلیمرهای طبیعی | پلیمرهای مصنوعی |
|---|---|---|
| منشأ | گیاهان، جانوران، میکروارگانیسمها | نفت، گاز طبیعی، زغالسنگ |
| مثالها | سلولز (در چوب و پنبه)، پروتئین (در پشم و ابریشم)، نشاسته، DNA | پلیاتیلن (کیسه پلاستیک)، نایلون (الیاف)، پلیاستایرن (یونولیت)، پلی وینیل کلراید (PVC) |
| تجزیهپذیری | بالا (توسط باکتریها) | بسیار پایین (صدها سال) |
همانطور که در جدول مشاهده میکنید، هر دو دسته کاربردهای گستردهای دارند. برای مثال، از سلولز برای تولید کاغذ و منسوجات استفاده میشود، در حالی که نایلون به دلیل استحکام بالا در تولید طناب و پارچههای مقاوم به کار میرود.
۳. کاربردهای عملی: پلیمرها در اطراف ما
پلیمرها به دلیل سبکی، مقاومت در برابر خوردگی، عایق بودن و شکلپذیری آسان، جایگاه ویژهای در زندگی ما پیدا کردهاند. از ظروف یکبار مصرف و بطریهای نوشابه گرفته تا بدنه خودرو و قطعات هواپیما، همگی از پلیمرها ساخته میشوند.
یک مثال عینی: لباسی را که پوشیدهاید در نظر بگیرید. اگر لباس شما از جنس پلیاستر باشد، در واقع از نوعی پلیمر مصنوعی ساخته شده که از واکنش اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکول به دست میآید. یا اگر پیراهن نخی پوشیده باشید، این بار با پلیمر طبیعی سلولز مواجه هستید. در حوزه پزشکی نیز از پلیمرهای زیستسازگار برای ساخت بخیههای جراحی و دارورسانی هدفمند استفاده میشود. در بخش الکترونیک، پلیمرهای رسانا نسل جدیدی از صفحهنمایشها و مدارهای انعطافپذیر را ممکن ساختهاند.
۴. چالشهای مفهومی درباره پلیمرها
برخلاف مواد ساده مانند نمک یا شکر، پلیمرها از زنجیرهایی با طولهای مختلف تشکیل شدهاند. به عبارت دیگر، مقدار $n$ برای همه مولکولهای یک پلیمر یکسان نیست. این زنجیرهای با طول متفاوت، در دماهای گوناگون شروع به نرم شدن و ذوب میکنند، بنابراین پلیمرها در یک بازه دمایی ذوب میشوند، نه یک نقطه ثابت.
این تفاوت به ساختار مولکولی و نیروهای بین زنجیرهای برمیگردد. پلاستیکهای یکبار مصرف مانند پلیاتیلن، زنجیرهای تقریباً خطی با نیروی بین مولکولی ضعیف دارند و به راحتی روی هم میلغزند. اما پلیمرهای مهندسی مانند پلیکربنات، دارای حلقههای آروماتیک در زنجیره اصلی یا پیوندهای عرضی بین زنجیرها هستند که به آنها استحکام، مقاومت حرارتی و دوام بسیار بیشتری میبخشد.
خاصیت کشسانی به دمای انتقال شیشهای پلیمر مربوط میشود. در پلیمرهای کشسان، زنجیرها در دمای اتاق حالت لاستیکی (روی هم تابیده اما آزاد) دارند و با اعمال نیرو باز شده و پس از رها شدن به حالت اولیه برمیگردند. اما در پلیمرهای سخت، زنجیرها در دمای اتاق در یک ساختار منظم و بلوری یا شیشهای قفل شدهاند و حرکت نمیکنند. اگر به آنها نیرو وارد شود، زنجیرها میشکنند.
۵. جمعبندی
پاورقی
1 مونومر (Monomer): از کلمات یونانی مونو (تک) و مر (بخش) گرفته شده است. به مولکولهای کوچک و سادهای گفته میشود که قابلیت پیوستن به یکدیگر و تشکیل پلیمر را دارند.
2 پلیمریزاسیون (Polymerization): فرآیند شیمیایی پیوستن مونومرها به یکدیگر برای تشکیل یک زنجیره پلیمری. این فرآیند میتواند به دو روش افزایشی و تراکمی انجام شود.
3 پلیاتیلن (Polyethylene یا PE): رایجترین پلاستیک جهان که از پلیمریزاسیون گاز اتیلن به دست میآید. در دو نوع اصلی چگالی پایین (LDPE) برای کیسههای پلاستیکی و چگالی بالا (HDPE) برای بطریهای سفت و سخت تولید میشود.
4 دمای انتقال شیشهای (Glass Transition Temperature - Tg): دمایی که در آن، یک پلیمر از حالت سخت و شیشهمانند به حالت نرم و لاستیکی تغییر حالت میدهد. این دما برای هر پلیمر مشخصه منحصر به فردی است.
