Конструкції з полімерних матеріалів
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
М’яз і прозоре скло, хутряна шубка та пластмасова шестерня, яєчний білок і шкіряний портфель … Усіх їх, незважаючи на відмінності у властивостях і призначенні, об’єднує одна спільна риса: вони побудовані, з речовин, що складаються з гігантських полімерних молекул. Якщо розміри молекул, наприклад води, становлять кілька стомільйонних часток сантиметра, то довжина молекули полімеру може досягати декількох стотисячних, а іноді й кількох десятитисячних часток сантиметра. Це означає, що полімерна молекула в тисячі, а іноді й у десятки тисяч разів більше молекули води. Порівняно з нею молекула полімеру – справжній гігант.
Хімічний склад і структура окремої молекули-велетня в чому визначають якості полімерної речовини. Але практично полімери дуже рідко існують у вигляді окремих ізольованих молекул. Говорячи про властивості того чи іншого полімерного матеріалу, ми завжди маємо на увазі властивості безлічі великих молекул, об’єднаних разом, та таких що взаємодіють одна з одною. Молекула – лише блок, з якого будується речовина.
Відомо, що, з’єднуючи одні й ті ж будівельні блоки, можна отримати найрізноманітніші конструкції: міцні або такі, що руйнуються при найменшому зусиллі, жорсткі або гнучкі, суцільні і компактні або пухкі і легкопроникні. Точно так само і властивості полімерної речовини в дуже широких межах змінюються залежно від способу з’єднання великих молекул. Наприклад, з одної і тої ж за хімічним складом високомолекулярної речовини полікапролактами роблять і волокно капрону, і легке штучне хутро, і міцні, безшумно працюючі автомобільні шестерні. Це стало можливим тільки тому, що вчені інженери зуміли проникнути в таємницю будови полімерів, знайти зв’язок між закономірностями розташування великих молекул в речовині і її властивостями і, використовуючи ці знання, навчились конструювати матеріали з потрібними властивостями.
Серце – один з найдосконаліших у світі механізмів. Протягом усього життя людини цей насос безупинно жене кров по судинах; за добу серце перекачує близько 5 тонн крові. Робота серця забезпечується скороченнями серцевого м’яза. Здатність до скорочення у цього, так само як і інших м’язів пов’язана з чудовою властивістю великих білкових молекул, з яких вони побудовані, гнучкістю, тобто здатністю змінювати свою форму. Завдяки цій же властивості полімерні молекули можуть по-різному групуватися в речовині, обумовлюючи тим самим різноманітність її структури.
Молекула полімеру являє собою довгий ланцюжок повторюваних груп атомів, з’єднаних хімічними зв’язками. Довжина такого ланцюжка зазвичай в тисячі і десятки тисяч разів перевершує її товщину.
Окремі атомні групи, складові ланцюги, розташовані на певних відстанях і під фіксованими кутами. Однак ці групи можуть з більшою чи меншою свободою обертатися відносно один одного, навколо з’єднуючих їх простих хімічних зв’язків. Це обертання якраз і створює можливість для зміни форми полімерного ланцюжка, тобто робить його гнучким.
Залежно від умов довга гнучка молекула може згорнутися в компактну кульку – глобулу, або витягнутися і прийняти форму спіралі або тонкого стрижня. Форму глобул мають, наприклад, молекули яєчного білка в нетравленому яйці. При підвищенні температури білкові глобули розгортаються, утворюючи суцільну структуру з полімерних ланцюгів. Саме цим пояснюються зміни, що відбуваються з білком при варінні яєць: з рухомої рідкої маси утворюється пружна, резиноподібна речовина. Форму витягнутих стрижнів або спіралей приймають полімерні молекули, наприклад, при утворенні волокон або плівок.
Вплив форми полімерних ланцюгів на властивості побудованої з них речовини особливо яскраво проявляється при порівнянні крохмалю і целюлози. Ці речовини відомі всім. Крохмаль – легкий білий порошок, добре розчинний у воді; целюлоза (у формі бавовни або деревини) – міцний, волокнистий матеріал, який у воді абсолютно не розчиняється. Навіть важко повірити, що хімічний склад крохмалю і целюлози абсолютно однаковий. Але це так. Різниця між цими речовинами полягає лише в тому, що молекули крохмалю мають форму глобул, а в целюлозі вони витягнуті в довгі ланцюги.
Найпростіше уявити собі, як кристалічна полімерна речовина будується з компактних молекулярних глобул. У цьому випадку глобули можуть укладатися в строгому порядку і утворювати правильні великі кристали (вони досягають розмірів 0,001 міліметра) абсолютно так само, як це відбувається при кристалізації мономерних речовин. Але є і дуже суттєва різниця.
Кожна полімерна глобула являє собою згорнутий в компактну кульку довгий молекулярний ланцюг, що складається з тисяч і десятків тисяч мономірних молекул. Тому всередині окремої глобули, «сидить» у вузлі решітки полімерного кристала, дотримуються свої закони розташування маленьких молекул – мономерів. Глобули в полімерному кристалі можна уподібнити мішкам з картоплею, розташованим в строгому порядку. Але в кожному мішку існує свій особливий порядок чи безлад в укладанні картоплин. Кристали низькомолекулярних речовин побудовані простіше. У вузлах їх решіток закріплені окремі маленькі молекули або просто атоми.
Слід сказати, що глобулярні полімерні кристали зазвичай неміцні і легко руйнуються навіть при незначних зовнішніх впливах. Їх не можна використовувати для виготовлення будь-яких виробів. Ці кристали характерні для багатьох біологічних об’єктів.
А як же йде справа, якщо полімерна речовина будується з витягнутих молекулярних ланцюжків? І в цьому випадку при сприятливих умовах (наприклад, при осадженні полімеру з дуже розбавлених розчинів) окремі розгорнуті ланцюги можуть абсолютно правильно укладатися паралельно один одному, що призводить до утворення добре огранених полімерних кристалів. Такі кристали зазвичай дуже малі, і тільки електронний мікроскоп дозволяє вивчати їх у всіх деталях.
Отже, полімерна речовина може існувати у вигляді двох типів правильно огранених кристалів, між якими є принципова відмінність. Кристали першого типу будуються з окремих молекулярних глобул, другого типу – з розпрямлених паралельно покладених молекулярних ланцюгів. Можливість здійснення двох типів кристалізації – одна з відмінностей полімерів від речовин, побудованих з маленьких молекул.
Однак у шматку кристалічного полімерного матеріалу в тому вигляді, в якому його зазвичай використовують для виготовлення виробів, ми не знайдемо окремих огранених кристалів. Марно їх шукати і в кристалічному полімерному волокні. У чому ж справа?
Вивчення полімерів за допомогою різних фізичних методів і в першу чергу пряме спостереження в електронному мікроскопі дозволило проникнути в таємницю їх складної будови. Було виявлено, що молекулярні ланцюжки в полімеру мають тенденцію збиратися в пачки фібрили. Кожна пачка містить від декількох десятків до декількох тисяч паралельно орієнтованих довгих молекул.
Порядок в укладанні молекул всередині кожної пачки може бути різним. Якщо схематично зобразити поперечний розріз пачки, то перетин окремого ланцюга можна приблизно уявити у вигляді еліпса. Граничним випадком впорядкованості всередині пачки буде такий, коли центри еліпсів (осі ланцюгів) утворюють правильні грати, а всі еліпси правильно орієнтовані по відношенню один до одного. Цей випадок і відповідає стану полімерної пачки.
Полімерні матеріали, які будуються з таких високо упорядкованих пачок, називаються кристалічними. Таку структуру має, наприклад, поліетилен. Зазвичай висока впорядкованість не зберігається по всій довжині пачки. Добре впорядковані кристалічні області чергуються з областями дещо гіршого порядку. Саме присутність в матеріалі менш впорядкованих областей надає йому підвищену пружність, поєднується з достатньою твердістю, обумовленою кристалічними областями. Розміри окремих кристалічних областей дуже малі і, як правило, коливаються від однієї мільйонної до однієї стотисячної частки сантиметра. У шматку кристалічного полімеру кристалічні області можуть бути орієнтовані в самих різних напрямках. У цьому сенсі вони подібні дрібним рiдкокристалiчним зернам, з яких складається шматок металу. Якщо будова окремих полімерних ланцюгів така, що всередині пачки ланцюгів кристалічна впорядкованість взагалі не може виникнути, то полімерну речовину, побудовану з цих пачок, називають аморфною. Саме така структура характерна, наприклад, для органічних стекол.
Кожна лінія тут відповідає окремій полімерній молекулі, яка в межах пачки зберігає своїх бічних сусідів. Дільниці, утворені відрізками прямих ліній, відповідають високо впорядкованим кристалічним областям пачки, відрізки хвилястих ліній – областям меншого порядку.
При витягуванні з полімерних матеріалів волокон окремі пачки ланцюгів перебудовуються, розпрямляються і розташовуються паралельно один одному. Кожне волоконце складається з системи паралельно орієнтованих пачок молекулярних ланцюгів. Більшість кристалічних областей при цьому орієнтується уздовж осі волокна. Таке розташування ланцюгових молекул у волокні надає йому підвищену міцність на розрив уздовж осі орієнтації. У ряді випадків полімерні волокна за міцністю не поступаються сталевому дроту.
Конструкції із полімерних молекул, створювані живою природою, поки ще значно досконаліші тих, які ми навчилися отримувати синтетичним шляхом. Разом з тим вже зараз є штучно створені полімерні речовини, значно більш різноманітні за хімічним складом, ніж природні. Можна не сумніватися, що, використовуючи і доповнюючи досвід природи в створенні полімерних конструкцій і застосовуючи для цієї мети великі молекули потрібного хімічного складу, вдасться отримати матеріали з абсолютно винятковими властивостями. Негорючі тканини, по міцності набагато перевищують кращі сорти бавовняних тканин, напівпровідникові матеріали на основі полімерів, штучні кровоносні судини і навіть «деталі» серця – все це вже не тільки найближче майбутнє, але і сьогоднішній день хімії високомолекулярних сполук.
А якщо заглянути далі? Людська м’яз. Складний і досконалий механізм, побудований з білкових молекул. Але, можливо, з часом люди, не задовольняючись силою і працездатністю м’язів, даних їм від природи, знайдуть способи створювати синтетичні м’язи, міцніші і більш працездатні. Але це вже трохи наукова фантастика, у якої, тим не менш, є всі шанси стати реальністю.
Автор: В. А. Кабанов.