پلیمرهای هم آرا و تحقیقات انجام گرفته در خصوص آن ها
پلیمرها انواعی از مولکول ها با زنجیره های طولانی می باشند که از اتصال تک تک مولکول ها به صورت بلوکی به یکدیگر به وجود می آیند. به طور کلی بلوکهای سازنده انها مولکولهای ارگانیکی هستند که از طریق پیوند های کووالانسی به یکدیگر متصل شده اند ولی سایر بلوک های سازنده موجود چه ویژگی هایی دارند؟
شکل گیری ترکیبات هم آرا یکی از مهم ترین جنبه های شیمی غیر ارگانیک می باشد. در یک ترکیب هم آرا یک اهدا کننده جفت الکترونیک که با نام لیگاند نیز شناخته می شود عضو الکترونی خود را با یک اتم فلزی به اشتراک میگذارد. اتم فلز نیز نوعی فلز واسطه است و اغلب به عنوان یک یون فلزی واسطه شناخته می شود ولی مثالهای دیگری نیز در این حوزه وجود دارد.
پلیمر های هم آرای نشاسته ای نیز به صورت کامل در خاک تجزیه میشوند و همچنین در صورتی که با سایر مواد ترکیب شوند و یا اصلاح شوند ممکن است روند تجزیه محصولات غیر زیست تخزیب پذیر را نیز بهبود بخشند. نشاسته یکی از پلیمر های اصلی است که به منظور تولید مواد زیست تخریب پذیر مورد مطالعه قرار گرفته است.
یون مخالف
علاوه بر گزینش لیگاند و فلزات، تعداد زیادی از فاکتورهای دیگر هم وجود دارند که میتوانند در ساختار پلیمرهای هم آرا موثر باشند. به عنوان مثال بیشتر مراکز فلزی، یون هایی با بار مثبت هستند که به عنوان نمک وجود دارند. یون با بار مخالف در نمک می تواند در ساختار کلی موثر باشد. به عنوان مثال نمک های بلورین مانند AgNO3, AgBF4, AgClO4, AgPF6, AgAsF6 AgSbF6 همگی با یک نوع لیگاند متبلور میشوند اما ساختار آنها ممکن است با توجه به محیط هم آرایی فلز و همچنین بعدیت کل پلیمرهم آرا از همدیگر متفاوت باشد.
محیط تبلور
تفاوت هایی در محیط تبلور می تواند باعث دگرگونی ساختاری این پلیمرها نیز شود. تغییر مقدار pH قرارگیری در معرض نور و یا تغییر دما همگی ساختار نهایی را با تغییراتی روبه رو خواهند کرد. تغییراتی که بر اساس تفاوت های محیطی تبلور در ساختار این مواد ایجاد میشود، معمولاً به صورت موردی تعیین می شود.
مولکولهای مهمان
افزودگی و یا از بین رفتن مولکولهای مهمان نیز تاثیر بزرگی بر ساختار نهایی پلیمرهای هم آرا خواهد داشت. مانند تغییر ساختار خطی یک بعدی زنجیره به یک الگوی زیگزاگ و یا تغییر ساختار ۲ بعدی به مدل ردیفی و یا تغییر ساختار مکعبی سه بعدی به گونه ای بسیار گسترده تر و با ابعاد بزرگتر. معمولاً در ساختار پلیمرهای هم آرا فضاهای خالی بسیاری به شکل سوراخ و یا کانال به وجود می آید. از نظر ترمودینامیکی وجود این فضاهای خالی چندان مطلوب نیست. به منظور پایدارسازی ساختار این مواد و پیشگیری از نابودی آنها سوراخ ها و کانال های به وجود آمده معمولاً توسط مولکولهای مهمان پر میشوند. مولکول های مهمان هیچگونه ارتباط و پیوندی با شبکه های مجاور به وجود نمی آورند ولی گاهی اوقات از طریق نیروهای بین مولکولی برهم کنش هایی را تولید می کند مانند پیوند های هیدروژنی و یا انباشتگی پی. در اغلب موارد مولکولهای مهمان حلالهای می باشند که پلیمرهای هم آرا در آن متبلور میشوند ولی ممکن است شامل سایر موارد از جمله نمک و گازهای اتمسفری مانند اکسیژن، نیتروژن و کربن دی اکسید و یا سایر موارد هم شوند. حضور مولکول های مهم نیز گاهی اوقات می تواند با پشتیبانی از سوراخ ها و یا کانال های ایجاد شده تغییراتی را در ساختار نهایی به وجود بیاورد و این در حالی است که در حالت عکس سوراخی وجود نخواهد داشت.
از پلیمرهای هم آرا به منظور تولید چه محصولاتی استفاده می شود؟
پلیمرهای هم آرا به صورت تجاری به عنوان رنگ به کار برده می شوند. انواعی از مشتقات کاربردی این ماده همان آمینو فنول ها میباشند. رنگهای ترکیبی فلزی که از مس و یا کروم استفاده میکنند به طور کلی در تولید رنگ های تیره کاربرد دارند. رنگهای لیگاندی سه دندانی نیز بسیار کاربردی می باشند زیرا در مقایسه با سایر لیگاندهای یک و یا دو دندانه ای بسیار پایدار تر هستند. یکی از اولین ترکیبات پلیمری هم آرا که به صورت تجاری معرفی شد ترکیبات هافمن بود که دارای فرمول Ni(CN)4Ni(NH3)2 می باشند. این مواد به خوبی با مولکولهای مهمان آروماتیک کوچک مانند بنزین و یا انواعی از زیلن ها متبلور می شوند و از این قابلیت گزینشی به صورت تجاری به منظور جداسازی این هیدروکربن ها استفاده شده است.
تحقیقات انجام گرفته
پلیمرهای هم آرای متخلخل را میتوان بهعنوان غربالگر های مولکولی به صورت موازی با کربن های متخلخل و زئولیت ها به کار برد ولی هنوز مشخص نشده است که این ایده تا چه حد کاربردی می باشد. اندازه و شکل سوراخ ها را می توان با توجه به سایز اتصال گر و طول لیگاند های اتصالی و گروههای وظیفه ای تعیین کرد. به منظور تغییر اندازه سوراخ ها و دستیابی به میزان موثری از جذب، مهمان های غیر فرار در فضاهای خالی پلیمرهای هم آرای متخلخل جا داده میشوند تا اندازه این سوراخ ها را کاهش دهد. به عنوان مثال ماده MOF-177 را میتوان با مولکولهای C60 و یا پلیمرهایی با سیستم کاملاً مزدوج پیوند داد تا سطح جذب هیدروژن افزایش پیدا کند. پلیمرهای هم آرا یی که حالت متخلخل و انعطافپذیر دارند گزینه جذابی برای ذخیره مولکولی میباشند زیرا اندازه سوراخ های آنها را می توان با استفاده از تغییرات فیزیکی دگرگون ساخت. مثالی از این موارد میتواند در پلیمرهایی دیده شود که در وضعیت نرمال خود دارای مولکولهای گاز هستند ولی پس از فشردگی در پلیمر به صورت کامل نابود شده و مولکولهای ذخیره شده را آزاد می کند. همچنین با توجه به ساختار پلیمر این امکان وجود دارد که ساختار یاد شده به اندازه ای انعطاف پذیر باشد که بتوان نابودی سوراخ ها و یا حفره ها را جبران کرد و همچنین پلیمر را بهگونهای استفاده کرد تا مجددا مولکولهای گاز را جذب نماید.
درخشندگی
معمولاً پلیمرهای هم آرا ویژگیهایی مشابه با لیگاند های رنگی و ارگانیک دارند که به سادگی نور را جذب کرده و سپس انرژی برانگیختگی را به یونهای فلزی منتقل میکند. حتی میتوان پلیمرهای هم آرا را به عنوان درخشنده ترین انواع موجود شناخت زیرا دارای خواص انتشاری بسیاری می باشند که با تبادلاتی با مولکولهای مهمان همراه شده است. امروزه معماری فرا مولکولی درخشان به مقدار بسیار زیادی مورد توجه قرار گرفته است زیرا دارای مصارف بسیار متفاوتی در دستگاه های نوری الکترونیکی و یا سنسور های درخشان و یا ردیابها می باشد. پلیمرهای هم آرا اغلب نسبت به سایر انواع ارگانیک و خالص پایدار تر می باشند و همچنین در برابر حلال ها و تغییرات دمایی مقاومت بسیار زیادی دارند. لیگاندهایی که بدون وجود اتصال گروههای فلزی قابلیت درخشندگی دارند انتشار نور شدیدتری در مقایسه با لیگاند هایی دارند که به تنهایی موجود هستند. از این مواد میتوان برای تولید دستگاههای دیود انتشار نور استفاده کرد. افزایش شدید ویژگی درخشندگی معمولاً با افزایش استحکام و عدم تقارن لیگاند به هنگام اتصال به مراکز فلزی مرتبط است.
رسانایی الکتریکی
ممکن است پلیمرهای هم آرا دارای انواعی از پل های ارگانیک مزدوج و پل های کوتاه غیر ارگانیک در ساختار خود باشند که مسیری را برای رسانای الکتریکی به وجود می آورد. تعدادی از این پلیمرهای هم آرای تک بعدی دارای مقدار رسانایی برابر با 1x10−6 to 2x10−1 S/cm می باشند. رسانایی در اثر برهمکنش بین اوربیتالهای دی فلزی وسطح پی لیگاندهای پل ساز به وجود می آید. ساختار های سه بعدی شامل ورقه هایی از پلیمرهای حاوی نقره می باشند که خواص نیمه رسانایی از خود نشان میدهند و این در خصوص زمانی است که مراکز فلزی به صورت مرتب چیده شده ولی رسانهایی زمانی کاهش پیدا میکند که اتمهای نقره از حالت موازی به حالت عمود تغییر شکل بدهند.
خاصیت مغناطیسی
پلیمرهای هم آرا دارای انواعی از خواص مغناطیسی می باشند مانند فرومغناطیس، ضد فرومغناطیس و فری مغناطیس که همه رخدادهایی از نوع چرخش های مغناطیسی می باشند که از پیوند بین چرخشهای مراکز پارا مغناطیسی به وجود می آیند. به منظور ایجاد حالت مغناطیسی مناسب، یونهای فلزی باید با لیگاند های کوچک پیوند خورده و امکان ایجاد اتصالات فلزی کوتاه را فراهم سازند.
توانایی شبه حسگر
علاوه بر آن پلیمرهای هم آرا این امکان را دارند که با تغییر مولکول های حلال به کار برده شده در ساختار خود رنگ متفاوتی داشته باشند. نمونه ای از این مساله مهم بسپارهای هم آرای [Re6S8(CN)6]4− می باشند که شامل لیگاند های آبی بوده و به اتمهای کبالت متصل می شوند. زمانی که آب با تتراهیدروفوران جایگزین شود این محلول که به صورت اصلی رنگ نارنجی دارد رنگ بنفش و یا سبز پیدا خواهد کرد و همچنین در صورتی که دی اتیل اتر به این ترکیب بندی اضافه شود رنگ محلول نام برده شده به آبی تغییر پیدا خواهد کرد. در واقع خود این پلیمر می تواند نقش یک سنسور حلال را داشته باشد که در صورت قرارگیری در معرض انواع ویژهای از حلالها تغییر رنگ خواهد داشت. تغییر رنگ یاد شده ناشی از جایگزینی لیگاندهای آب به روی اتمهای کبالت می باشد و در نهایت باعث می شود تا شکل هندسی از هشت ضلعی به چهار ضلعی تبدیل شود.
