Полимеры-трансформеры
Полимерами в органической химии называют вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся звеньев. Например, полиэтилен состоит из длинных цепочек ...–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–..., полученных полимеризацией этилена CH2=CH2. Для краткости такая последовательность записывается (–CH2–CH2–)n, где n — это количество повторов или просто неопределенное, но достаточно большое число.
Помимо линейных полимеров, таких как полиэтилен, существуют ещё и циклические (замкнутые в кольцо) — макроциклы (например, вещество A на рисунке).
Длинные линейные полимеры вроде полиэтилена образуют тягучие нити (и пленки) за счет того, что длинные молекулы довольно прочно цепляются друг за друга, и при разрыве нити химические связи тоже в некоторой степени рвутся (а не только молекулы «растаскиваются»). Циклические же полимеры ведут себя как масла, и эластичных свойств не проявляют, потому что молекулы хоть и большие, но друг к другу притягиваются несильно (область соприкосновения меньше).
Интересно, что два таких цикла можно «сцепить» между собой. Такой класс веществ называется катенанами от латинского catena — «цепь» (на рисунке — вещество B).
На каждом из колец катенана кроме просто –CH2-групп могут быть расположены практически любые функциональные группы. Это приводит к очень интересным химическим свойствам катенанов — они ведут себя как смесь двух веществ, но которую в принципе нельзя разделить, и проявляют все свойства каждого из колец. По физическим свойствам они похожи на обычные линейные полимеры — например, при не очень большом n это вязкие масла.
Задача
Но химики пошли дальше и придумали класс веществ, обладающих крайне неожиданными свойствами: их вязкость и упругость сильно зависят от геометрической формы. Например, такое вещество в стакане может выглядеть как масло, но если его начать выливать узкой струйкой, или даже просто потянуть за поверхность, то оно вытягивается в нить (довольно упругую), которая рвется при дальнейшем растяжении. А если такую нить скомкать, то она опять превращается в масло.
Предложите структуру этого класса веществ и объясните, почему они обладают такими свойствами.
Подсказка 1
Обратите внимание на описание физических свойств линейных и циклических полимеров.
Подсказка 2
Искомое вещество должно быть чем-то похожим и на линейные полимеры, и на циклические, а еще зачем-то (наверное не зря) было сказано про катенаны...
Решение
Вещество, обладающее такими странными свойствами, должно совмещать в себе две разных структуры. Одну — похожую на длинный линейный полимер (довольно прочные нити), другую — на низкомолекулярный, возможно циклический полимер (вязкое масло).
Если продолжить идею катенана и соединить в длинную цепь (не химически, а механически, как звенья) много колец (тоже достаточно крупных), то получится как раз нужный полимер. Пока деформации небольшие и кольца находятся друг от друга на расстоянии порядка их собственного размера, свойства будут такими же, как у циклического полимера, состоящего из незацепленных колец. Но как только мы хорошо потянем, все кольца выпрямятся и будут крепко держаться друг за друга, и полимер начнет проявлять такие же свойства, как длинный линейный, — будет образовывать прочные волокна или пленки.
Послесловие
В химии высокомолекулярных соединений известно довольно много примеров веществ, обладающих необычными и интересными свойствами. Те же жидкие кристаллы, на базе которых создавались всевозможные индикаторы — мониторы компьютера, электронные табло и т. п. По сути, это молекулы, но находящиеся в расплаве не совсем в хаотическом состоянии (как в случае «нормальных» жидкостей), а упорядоченные в каком-то направлении. Например, молекулы вытянуты, и их длинные оси направлены преимущественно в одном направлении. Приложение дополнительного поля (электростатического) образует, например, слои, в результате чего прозрачность меняется и на экране индикатора становятся различимы цифры.
Другой пример — так называемые неньютоновские жидкости, вязкость которых очень быстро возрастает при увеличении скорости движения. Другими словами, при резких движениях они становятся упругими, как резина, а при плавных — текучими, как масло (см. съёмку того, как ведёт себя раствор крахмала в воде при прикосновениях).. Причина этого — взаимодействия между теми же полимерными молекулами. При резких движениях молекулы не успевают проскальзывать относительно друг друга и ведут себя, как твердый, упругий полимер. А при медленных — успевают, и жидкость «течет» обычным способом. Например, шарик из такой жидкости может даже отскочить от пола, если его бросить вниз, а потом растечься в лужицу, если его оставить лежать на полу надолго. Еще один пример такой жидкости — стекло (кстати, тоже представляющее собой полимер из длинных силикатных цепочек). За короткие временные интервалы оно ведет себя, как тело твердое, упругое и хрупкое, а вот в течение длительного времени оно течет, как вязкая жидкость. Известны примеры, когда стёкла в старинных постройках оказывались существенно толще в нижней части чем в верхней.
Таким образом, на базе полимеров можно создавать удивительные материалы, обладающие совершенно разными (и зачастую противоречивыми ) качествами в зависимости от временного диапазона (хрупкость–текучесть стекла), пространственного (наши катенаны), температурного и всевозможных других. Например, «эффект памяти формы» (известный на примере сплава титана с никелем, когда проволочка, изогнутая определенным образом и выпрямленная при другой температуре, склонна возвращать свою форму при возвращении в тот температурный интервал), скорее всего, либо уже воспроизведен на полимерах какой-то особой структуры, либо на эту тему ведутся интенсивные исследования.
В любом случае, обилие возможностей по организации взаимодействий разной природы (механических, химических, электрических) и разных пространственно-временных масштабов позволяет получать сколь угодно интересные эффекты на макроуровне. И эта область ждет своих исследователей и разработчиков.
-
Ну сколько можно распространять этот миф про текучее стекло? При нормальных температурах оконное стекло не течёт. Совсем. Оно твёрже, чем некоторые органические кристаллы (понятно, что твёрдость и вязкость, то есть обратная текучесть, это не одно и то же, но всё же), и на масштабах в сотни или даже тысячи лет его течение не заметно.
-
При достаточно резком ударе вода тоже оказывается не только твёрдой, но даже хрупкой. Течь ей это никак не мешает. Мало того, вода вполне течёт даже в кристаллической форме. И не только вода. А чтоб утверждать, что текучесть стекла незаметна на таком-то временном масштабе, надо хоть наблюдение корректно провести, раз уж эксперимент в полностью контролируемых условиях не возможен. А для этого точно обмерить стеклянное изделие в начале наблюдения и сохранить данные до его конца. А сотни лет назад не было достаточно точно ВОСПРОИЗВОДИМЫХ инструментов, чтоб к заказу на пули оттиск дула не прикладывать. Точные инструменты были, измерить оттиск и сделать по этой мерке пули могли. А точно воспроизвести инструменты технологии не позволяли, поэтому если разными инструментами измерялись диаметры ствола и пули, то при совпадающем числовом значении пуля не подходила к стволу. Так какие данные измерений можно было сохранить тысячи лет назад? Откуда ты знаешь, что стеклянные вазы были изготовлены в точности такой формы, а не стали такими в результате, в том числе, течения стекла? Реально за стеклом наблюдают менее века, а вывод о текучести стекла сделан из отсутствия фазового перехода: раз нет фазовых превращений, то нет и превращений качественных, а горячее стекло – вполне очевидная жидкость.
Последние задачи
