پلی الکترولیت به چه موادی گفته می شود و چه خواصی دارند؟
پلی الکترولیت ها نوع پلیمر هستند که در واحدهای تکراری آنها گروه های الکترولیتی وجود دارد. پلی کاتیون ها و پلی آنیون ها در این دسته قرار می گیرند. این گروه زمانی که در یک محلول ابی مانند آب قرار می‌گیرند از هم جدا میشوند و باعث میشوند تا پلیمر باردارشود. خواص پلی الکترولیت ها مشابه با الکترولیت ها و یا نمک ها و همچنین پلیمرها یی می باشد که ترکیباتی با وزن مولکولی بالایی دارند و به همین دلیل گاهی اوقات با نام پلی نمکها نیز یاد می شوند. این ترکیبات همانند نمک دارای خاصیت رسانایی برقی بوده و معمولاً همانند پلیمرها محلول چسبناکی را به وجود می آورند. زنجیره های مولکولی باردار نقش مهمی در تعیین ساختار و پایداری و همچنین ارتباط بین انواعی از مولکول ها ایفا می کنند. رویکردهای تئوری موجود که به منظور توصیف خاص آماری ماده به کار برده می شوند تفاوت بسیار زیادی از رقبایی دارند که بار الکتریکی آنها خنثی است. این در حالی است که در زمینه های صنعتی و فناوری محور به کشف خواص منحصر به فرد این ماده پرداخته می شود. انواع متفاوتی از مولکول های زیستی در دسته پلی الکترولیت ها قرار می گیرند و از آن نمونه می‌توان به پلی پپتیدها و گلیکوسامینوگلیکانها و حتی DNA اشاره کرد. از پلی الکترولیت های ترکیبی و خنثی هر دو در تولید محصولات متفاوت و در صنایع گوناگون استفاده می شود.
بار الکتریکی و یا شارژ
اسید ها معمولاً به دو دسته ضعیف و یا قوی تقسیم میشوند و این امکان نیز وجود دارد که باز ها هم به همین صورت دسته بندی شوند. پلی الکترولیت ها را نیز می توان به دو صورت ضعیف و یا قوی دسته بندی نمود. پلی الکترولیت های قوی این ماده به طور کامل در محلول و در سطح مناسبی از PH تجزیه می شوند. در مقابل آن پلی الکترولیت های ضعیف قرار می گیرند که دارای ضریب عدم تجزیه و یا عدم جدایی هستند و این مقدار نیز بین ۲ تا ۱۰ می باشد. در واقع این نوع از الکترولیت ها در مقدار متوسط PH به صورت جزئی و نه کامل تجزیه میشوند. بنابراین نوع یاد شده به صورت کامل در محلول باردار نمی شود و علاوه بر آن بار الکتریکی آن ها ممکن است با ایجاد تغییراتی در PH محلول یا غلظت یونی یا استحکام یونی دگرگون شود. خواص فیزیکی محلول های پلیمری یافت شده به صورت بسیار قوی وابسته به میزان بارداری آنهاست. از آنجا که تجزیه این مواد باعث آزادسازی یون هایی با بار مخالف میشود، این موضوع اثر بسیاری بر قدرت یونیک و در نهایت طول دبای خواهد داشت که یکی از مباحث مهم در فیزیک به شمار می آید.
خود این موضوع نیز بر سایر خواص مانند رسانایی الکتریکی اثر خواهد گذاشت. زمانی که محلول با پلیمرهایی با بارهای متفاوت ترکیب می شوند مانند محلولی که از ترکیب پلی کاتیون ها و پلی انیونها به وجود می آید نوعی ترکیب حجیم و یا رسوب تولید خواهد شد زیرا پلیمرهایی که دارای بار های متفاوت می باشند به یکدیگر جذب شده و به هم متصل می شوند.
ساختار و ترکیب پلی الکترولیت ها چگونه است؟
ساختار هر پلیمری توسط تعدادی از فاکتورها مشخص می شود که از آن دسته می‌توان به معماری پلیمر و همچنین قدرت ماده حلال اشاره کرد و لی در حوزه پلی الکترولیت ها بار الکتریکی هم نقش مهمی ایفا می کند. اگرچه زنجیره ی یک پلیمر خطی بدون بار معمولاً در ساختار تصادفی محلول دیده می شود، اما بار زنجیره پلی الکترولیت خطی همدیگر را از طریق نیروهای دو لایه دفع می‌کند و همین موضوع باعث میشود تا زنجیره نوعی ساختار گسترش یافته و محکم پیدا کند. در صورتی که محلول حاوی میزان زیادی از نمک افزوده باشد بارهای الکتریکی غربال خواهند شد و در نهایت زنجیره این پلیمر از هم فرو می پاشد تا نوعی ساختار سنتی تر و معمول تر را به وجود بیاورد (این ساختار شباهت زیادی به زنجیر های خنثی در یک محلول خوب دارد). ساختار و یا ترکیب پلیمرها مسلماً تاثیر زیادی بر خواص گروهی این مواد مانند چسبندگی و یا تیرگی و سایر موارد خواهد داشت. اگر چه ساختار آماری پلی الکترولیت ها را می توان با استفاده از انواعی از تئوری های پلیمرهای اولیه به دست آورد. مدل سازی صحیح زنجیره های این نوع از پلیمر به محاسبات ریاضی پیچیده‌ای نیاز دارد که ناشی از واکنش های الکترواستاتیک گسترده است. تکنیک هایی مانند پراکندگی پویای نور هم می توانند به منظور مطالعه ساختار این نوع از پلیمرها و تغییرات ساختاری آنها به کار برده شوند.
پلی امفولیتها
انواعی از پلی الکترولیت ها که دارای گروه های تکراری آنیونی و کاتیونی میباشند با نام پلی امفولیتها شناخته میشوند. در این گروه‌ها رقابتی در خصوص تناسب و تعادل بازها و اسیدها وجود دارد که خود باعث ایجاد مشکلاتی در رفتار فیزیکی آنها خواهد شد. معمولاً این نوع از پلیمرها فقط در صورتی انحلال پیدا میکنند که به مقدار کافی نمک در ترکیبات آنها وجود داشته باشد و در نهایت واکنش هایی که در آن دو بخش با بار الکتریکی متضاد وجود دارند جدا می شوند.
در خصوص هیدروژل های بزرگ روزنه دوخصلتی نیز محلولهای نمک های غلیظ منجر به انحلال مواد پلی آمفولیتی نمی شوند چرا که مولکول های بزرگی در آن وجود دارند که با استفاده از پیوندهای عرضی کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند. هیدروژل های بزرگ روزنه ترکیبی سه بعدی هم میتوانند مواد سنگین یونی در PH های متفاوت از محلول های آبی بسیار رقیق را جذب نمایند و و پس از آن هم میتوانند به عنوان جذب کننده و به منظور خالص سازی آب نمک دار مورد استفاده قرار بگیرند. تمام پروتئین ها در دسته همین پلیمرها قرار می گیرند و این در حالی است که تعدادی از آمینو اسیدها حالت اسیدی داشته و تعدادی از آنها بازی می باشند.
از پلی الکترولیت ها به منظور تولید چه موادی استفاده می شود؟
پلی الکترولیت ها دارای مصارف مختلفی می باشند و بیشتر آنها نیز در حوزه تغییر جریان و خواص پایداری محلول های آبی و ژلها هستند. به عنوان مثال می‌توان از آنها در جهت بی ثبات سازی یک ماده سوسپانسیون کلوئیدی و یا آغاز رسوبدهی استفاده کرد. انتقال بار سطحی به ذرات خنثی و توانمند سازی آنها در جهت پراکندگی در محلول های آبی نیز از دیگر کاربردهای این ماده می باشد. علاوه بر آن این مواد نقش تغلیظ کننده, امولوسیون کننده, اصلاح گر و عامل های شفاف کننده را دارند. این موارد در تصفیه آب و بازیابی نفت نیز به کار برده می شوند. انواع مختلفی از صابون ها و شامپوها و حتی محصولات زیبایی دارای درجاتی از پلی الکترولیت ها میباشند. پلیمرهای یاد شده در انواعی از غذاها افزوده می شوند و همچنین در غلیظ سازی ترکیبات نقش دارند. پکتین, کاراجینان, الگینات و سلولز کربوکسی متیل انواعی از پلی الکترولیت ها می باشند که به روی برچسب های غذایی دیده می شوند. تمام این نمونه ها به جز مورد آخر طبیعی می باشند. در نهایت پلی الکترولیت ها در تولید مواد مختلف به کار برده می شوند مانند سیمان. از آنجا که بعضی از انواع این پلیمر ها در آب حل می شوند، به منظور تولید محصولاتی در حوزه پزشکی و بیوشیمی نیز مورد تحقیق و مطالعه قرار گرفته اند. امروزه نیز تحقیقات زیادی در حوزه استفاده از پلی الکترولیت های زیست سازگار برای تولید پوشش های ایمپلنت و آزادسازی کنترل شده دارو و سایر مصارف انجام گرفته است.
اگرچه به تازگی انواع از مواد بزرگ روزنه که دارای خواص زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری میباشند و از ترکیبات پلی الکترولیت به وجود می آیند معرفی شده اند. تکثیر سلولی پستانداران و واکنشگرهای نرم عضله مانند نیز در این مواد دیده می شود.
چند لایه ها
از پلی الکترولیتها به منظور تولید انواعی نوین از مواد با نام پلی الکترولیتهای چند لایه نیز استفاده میشود. این فیلمها با تکنیک لایه لایه ی ته نشینی با رسوب تولید میشوند.
پل بندی در پلی الکترولیت ها
در صورتیکه زنجیره‌های پلی الکترولیت به سیستمی از یونهای بزرگ دارای بار متصل شوند نوعی واقعه جالب با نام پل بندی پلی الکترولیتی به وجود می‌آید. این عنوان معمولاً برای شرایطی به کار برده میشود که در آن یک زنجیره پلی الکترولیتی تکی، دو و یا تعداد بیشتری از یونهای بزرگ دارای بار مخالف را جذب می‌کند (مانند DNA). در این صورت پلی بین مولکولها به وجود می‌آید و از طریق ارتباط یاد شده واکنش های طرفین نیز به یکدیگر متصل می شوند. زمانی که جداسازی یون های بزرگ در مرحله پیشرفته صورت نگیرد زنجیره بین این یون ها و آثار الکترواستاتیکی در سیستم فشرده می شود. هر چقدر میزان جداسازی یون های یاد شده بیشتر شود در همان زمان زنجیره پلی الکترولیتی متصل به آن نیز کشیده می شود. از آنجایی که زنجیره از خاصیت کشسانی لاستیک برخوردار است، کشش زنجیره باعث می شود تا واکنش های یاد شده افزایش یابند.
پلی اسیدها
در واژه شناسی پلیمری پلی اسید به نوعی از پلی الکترولیت ها گفته می شود که از مولکول های غول پیکر تشکیل شده اند و شامل گروه‌های اسیدی بر روی کسر قابل توجهی از واحدهای خود میباشند. معمولاً این گروه‌های اسیدی از نوع COOH, –SO3H, یا –PO3H2 میباشند.
