Про полимеры, физико-химический тандем и немного о пружинках.
Шалом, хатулим. Недавно я тут задумался о том, почему обычный человек может сходу назвать с десяток прорывных и выдающихся открытий физических наук, но на такой же вопрос о науках химических в лучшем случае выдаст Таблицу Менделеева. Почесав тыкву, я предположил, что все дело в том, что физики своей работой отвечают на вопросы “Что”? и “Почему”?, а химики лишь следуют за ними и отвечают на вопросы “Как?” и “А не ебанет?” Поясню на пальцах: физические открытия сначала дают нам потрясные штуки и явления типа деления атома, электричества, бозона-мать-его-Хиггса, потом объясняют это не менее потрясными концепциями электромагнитной теории, квантов, а уж что и как они творят с космосом – это вообще сексуальный контент 18+. Химики же с лицом лягухи слушают всю эту восторженную чепуху, а потом берут и создают материалы, которые позволят воплотить ее в реальность. И такой тандемный подход хоть и обеспечил нам в конечном итоге барахтанье в благах цивилизации, общественных лайков химикам отсыпают все меньше. Преимущественно меметичные истории открытия элементов в конечном трансурановом итоге ушли физикам. Большие бабахи тоже отправились к физикам, дав атомного пинка тринитроглицерину. Но все-таки есть кое-что, что химики оставили себе в качестве финального аккорда, и это полимеры.
Полимеры… везде. Абсолютно везде. Мир буквально состоит из них, если мы вспомним, что природного происхождения белки и углеводы — тоже полимеры. Впрочем, природные высокомолекулярные соединения себе заграбастала биохимия, и в общественном сознании полимеры остались как что-то искусственное и неэкологичное. Что вообще есть полимеры и с чем их едят? Полимеры (макромолекулы) — это вещества с крайне высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до миллионов дальтон), состоящие из большого количества повторяющихся структурных звеньев-мономеров (специфические химические соединения с массой в пределах сотен дальтон). Размер и масса, а для полимеров эти термины практически равнозначны, дают им некоторую конформационную свободу: отдельные сегменты цепей могут поворачиваться вокруг химической связи. Подобные виды внутреннего движения, которые для иных твердых тел не очень-то характерны, роднят полимеры с жидкостями. Ну, так, на пол-кузины. Эти выкрутасы, в отличие от упругой деформации истинно твердых тел, не требуют высоких затрат энергии и могут происходить при относительно невысокой температуре. В то же время, цепи могут быть слишком длинными, химически соединенными или разветвленными: это когда к цепочке побольмше присобачено несколько цепочек поменьбше, а к ним вапще маленькие цепочки – жестб. Чем больше вот этого вот всего, тем ближе полимер к настоящему твердому телу.
Чтобы понять, как это работает, представьте себе мешок игрушечных радужных пружинок, если вы, как и я, дитя девяностых, это будет нетрудно. Одна пружинка спокойно растягивается, вертится, ее можно гнуть и выворачивать практически как душе угодно. А теперь возьмите пару десятков пружин, скрепите крест накрест, привяжите парочку сбоку, и скрутите получившееся в бараний рог. Этакая конструкция уже будет гораздо ближе к условному монолитному куску металла, запросто покрутить ее сегменты вокруг оси уже не выйдет. Еще макромолекулы способны к ориентации под воздействием направленного на них механического поля (если взять в поднятую руку несколько пружинок, они вытянутся к земле под действием притяжения). Это свойство позволяет изготавливать из полимеров пленки и волокна, правда, это характерно для кристаллических полимеров.
Кристаллические полимеры? Шта? А можно обратно к пружинкам? Можно. Увеличим количество пружинок и попробуем их запихать в условный ящик. Если вы используете обычные длинные пружинки ничего к ним не прикрутив, вы можете упаковать их ровным слоем в упорядоченную структуру. Ну, или если вы будете упихивать их ногой в ящик, непременно образуются структурно-упорядоченные участки. Если же вы скрутили из пружинок что-то древоподобное и разветвленное, даже при самом сильном желании и большом размере ноги, упорядочить такую структуру не удастся. Вжух, мы возвращаемся от пружинок к реальным полимерам. В зависимости от количества структурно упорядоченных областей, которые называют кристаллическими, меняются свойства полимера: оптические, механические, химические. Полимеры с большим количеством кристаллических областей прочнее, тверже, они непрозрачны и более химически стойки. Их называют кристаллическими, к ним относятся полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Если в структуре полимера упорядоченных областей нет от слова совсем, такой полимер называют аморфным. Они пластичны, если позволяет химическое строение, могут принимать высокэластичные и вязкотекучие сотояния при определенных температурх. Примеры: полистирол, поликарбонат, каучуки
Раз уж заговорили о температурах и состояниях, время погреть наши здоровенные молекулы. Пружинки? Кончились. По шкале от нуля по кельвину до твоей вайфу полимеры могут пребывать в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии. Стеклообразное состояние очевидно возможно для всех полимеров. Твердость, хрупкость, упругие деформации, вот это все туда. Стеклообразные полимеры в быту мы зовем пластмассами. Греем дальше. Тепловые колебания молекул усиливаются, молекулярные клубки распутываются и вытягиваются., и, наконец, наступает состояние, при котором обратимая деформация может достигать сотен процентов. Такое состояние называется высокоэластичным и является уникальным, присущим только полимерам. Высокоэластичные полимеры в обиходе мы зовем эластомерами или попросту резинами. Больше, больше жара! И вот наши полимерные цепочки начинают скользить друг относительно друга. Они уже жидкость, хоть и крайне вязкая. Вязкоупругая, если подушнить. Деформации становятся необратимыми, а пластичность зашкаливает, это и есть наше вязкотекучее состояние. В него крайне удобно переводить полимеры перед отливкой, формовкой и прочими способами придать конечную форму перед последующим охлаждением. Еще пара слов про нагревание, оно может быть обратимым и не очень. Обратимо нагреваемые соединения называют термопластами, они могут многократно при нагреве переходить в вязкотекучее или высокоэластичное состояние и обратно. А вот если нагревание вызывает необратимые химические реакции и/или в конечном итоге разлагает соединение к херам, то перед вами, несомненно, реактопласт.
Ну и, наконец, физикохимические свойства. Во многом они, разумеется зависят от химических свойств самих мономеров. В зависимости от наличия или отсутствия некоторых заместителей, могут меняться реакционные способности полимера, растворимость и даже диэлектрическая проницаемость. Но есть одна химическая приколюха, характерная только для полимеров, способность кардинально менять свои физико-механические характеристики под воздействием небольшого количества реагента, и она называется сшивкой. Сшивка, это процесс связывания цепочек полимеров между собой в пространстве, превращая их в трехмерную сетку. Сшивка позволяет существенно улучшить механические свойства полимеров, повысить их термостабильность и устойчивость к действию растворителей В зависимости от степени сшивки можно получить как вусмерть застеклованные таки и крайне эластичные полимеры. Самый широко известный всем пример — это вулканизация каучука (полиизопрена). Невулканизированный каучук липкий, его можно смять голыми руками или запросто растворить в чем-нибудь органическом, но стоит только смешать его с серой и нагреть, как он превращается в божественный сетчатый эластомер, устойчивый к действию растворителей, эластичный и упругий. Мы плебейски зовем его резиной. Если с серой переборщить, то получится жесткий и хрупкий эбонит, нежно любимый школьными учителями физики и хулиганскими учениками. Первыми за помощь в демонстрации статического электричества, вторыми за гы-гы.
Вдумчивый читатель наверняка спросит, а на кой хер я сейчас прочитал всю эту бодягу? А все это время автор через пень-колоду вел вдумчивого читателя к осознанию простой мысли: полимеры — это обалденный химический конструктор, с помощью которого можно сделать практически все, что угодно, в зависимости от цели и потребностей. Бери кристаллические полимеры для труб, композиционных материалов и сверхпрочных волокон. Термореактивные эластомеры для шин, вязкотекучие термопласты для смазок и клеев. Измени мономер, модифицируй присадками, и полимер изменит свои свойства на все, что тебе будет нужно. Если хочешь снять патриотическое кино на пленку, а потом спалить полный нацистов зал в красном платье, то пригодится ̶У̶м̶а̶ ̶Т̶у̶р̶м̶а̶н̶ целлулоид — нитроцеллюлоза. Нужно заменить разлетающееся от первого чиха стекло в машине или самолете на что-то столь же прозрачное, но пластичное и в пять раз прочнее — возьми полимеризованный метилметакрилат, он же оргстекло и плексиглас. Если хочешь останавливать пули и ножи, то воспользуйся полипарафенилен-терефталамидным волокном. Его еще кевларом называют, для простоты. Чтобы намертво заизолировать провода и сантехнику — тефлон. Чтобы не подгорали котлетки — он же. Чтобы не было детей — натуральный каучук. Чтобы… Что бы вы ни задумали сделать, на это наверняка найдется подходящий полимер. В крайнем случае, будет неотъемлемой частью будущего девайса.
Разумеется, мы плотно подсели на такие удобные приблуды. Замечательное изобретение, которое люди превратили в горы мусора, засрав землю, моря и океаны. Мы уже не сможем обойтись без него, так что остается надеяться, как и в случае со всеми другими научными достижениями, что рано или поздно мы ̶н̶е̶ ̶п̶р̶о̶с̶р̶е̶м̶ ̶в̶с̶е̶ ̶п̶о̶л̶и̶м̶е̶р̶ы̶ сможем взять ситуацию под контроль. Тяжеловатая, конечно, вышла заметка, котята, но ничего. В следующий раз будет развлекалово про самую клюквенно-русскую реакцию и шотландского мужика в вонючем плаще. Благо все нужные понятия для этой заметки мы уже сегодня выучили, ну, или повторили.
