پاسخ گویی به سوالات رایج در خصوص پلیمرهای فرا مولکولی
بیشتر پلیمرها از زنجیره های مولکولی بلند تشکیل شده اند که از تعداد زیادی واحد به وجود آمده اند و این واحدها نیز توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل میباشد اما پلیمرهای فرا مولکولی ساختار متفاوتی دارند. خواص و ّپویایی این مواد ناشی از پیوندهای برگشت پذیری است که زنجیرهای آنها را کنار یکدیگر قرار می‌دهد و باعث میشود تا این مواد مصارف بسیار متعددی داشته باشند.
آیا واقعاً به وجود نوعی دیگر از مواد پلیمری نیاز است؟
پاسخ کوتاه به این سوال بله می باشد. پلیمر های سنتی موادی هستند که از خواص فوق العاده ای برخوردارند اما زمانی که ذوب شوند بسیار چسبانده می شوند. در واقع درهم‌تنیدگی مولکولی آنها باعث بروز چنین حالتی می شود. به دما و فشار بسیار بالای نیاز است تا بتوان این مواد را به حالتی ذوب کرد که چندان چسبنده نشوند و همین موضوع نیز خود موارد مصرف آنها را محدود خواهد ساخت. اما پلیمرهای فرا مولکولی از خواص ویژه ای برخوردارند که در حالت ذوب شده نیز چسبندگی بالایی ندارند و به راحتی می توان با آنها کار کرد. تعدادی از این پلیمرها هم از ویژگی‌های بسیار فوق العاده ای برخوردارند مانند توانایی ترمیم دهی ترک ها و شکستگی ها در ساختار خود.
پلیمرهای فرا مولکولی دقیقا به چه موادی گفته می شود؟
این مواد آرایه های پلیمری تشکیل شده از واحدهای مونومری می باشند که توسط برهم کنشهای برگشت پذیر و کاملاً جهت داری به یکدیگر متصل شده اند که در واقع به آنها پیوندهای غیر کووالانسی نیز گفته میشود مانند پیوند های هیدروژنی. بنابراین ماده به دست آمده می‌تواند خواص پلیمری خود را در حالت محلول هم حفظ کند. جهت گیری و استحکام برهم کنش های موجود در این ماده به گونه‌ای تنظیم شده است که آرایه های مولکولی می‌توانند به عنوان یک پلیمر رفتار کنند. رفتار این مواد به گونه ای است که می توان آنها را با توجه به تئوری فیزیک مواد پلیمری تشریح کرد. برگشت پذیری بسیار بالای پیوندهای غیر کووالانسی باعث میشود تا پلیمرهای فرا مولکولی همیشه بتوانند شرایط ترمودینامیک متعادلی داشته باشند این در حالی است که طول زنجیره ها ارتباط بسیار مستقیمی با استحکام پیوند های غیر کووالانسی و تمرکز مونومرها و همچنین دما دارد.
پلیمرهای فرا مولکولی از چه منبعی بوجود می ایند؟
برهم کنش فرا مولکولی بین انواع ویژه‌ای از مولکول ها از مدت‌ها پیش شناخته شده بوده است و در اغلب موارد هم فقط زنجیره های کوچکی تا ۱۰ واحد ساخته می شوند. این در حالی است که پلیمرهای فرا مولکولی کاربردی به حداقل۱۰۰ تا ۱۰۰۰ مونومر نیاز دارند تا در لحظه بتوانند به یکدیگر متصل شوند. کلید اصلی به منظور خلق زنجیره های بلندتر، مستحکم سازی برهم کنش های بین مونومرها می باشند. به عبارت دیگر میانگین طول عمر این پیوند ها باید افزایش پیدا کند. اما اگر بر هم کنش های ثانویه در این مواد بسیار قوی باشند یا پلیمرها خواص انعطاف پذیری پویایی خود را از دست بدهند و ویژگی های مشابه با پلیمرهای کووالانسی پیدا کند در این صورت مزایای آنها به طور کلی کاهش پیدا خواهد کرد.
آیا پیوند های هیدروژنی بهترین گزینه برای ایجاد پلیمرهای فرا مولکولی هستند؟
پیوند های هیدروژنی بسیار ایده آل می باشند زیرا می‌تواند استحکام بالا و خواص برگشتی متفاوتی را با یکدیگر ترکیب کنند. علاوه بر آن از آنجایی که آنها پیوندهایی را در جهت زنجیره پلیمری ایجاد می‌کنند، برهم کنش های ناخواسته در سایر جهات به کمترین میزان خود خواهند رسید. استحکام و برگشت پذیری پیوندهای هیدروژنی بین مونومر ها را می توان با استفاده از آرایه هایی از گروههای پیوندهای هیدروژنی در مونومرها تنظیم کرد و همین موضوع باعث میشود تا پیوند های متفاوتی تشکیل شوند. برهم کنش بین واحدهایی که به صورت بسیار محکمی به یکدیگر متصل شده اند کاملاً حفظ میشود، حتی وقتی که این پلیمر در آب حل شود. در چنین حالتی مولکولهای محلول تلاش می‌کنند تا بتوانند پیوندهای هیدروژنی را با مونومرها ایجاد کنند. اگرچه در آب پیوندهای هیدروژنی بین مونومرها بسیار ضعیف تر از مواد جامد می باشد. به منظور ایجاد پلیمرهای فرا مولکولی با اندازه مناسب در آب مونومرها باید حفره های آب ترس را به وجود اورند که در آنها پیوند هیدروژنی از اثرات مخرب محلول در امان باشد.
آیا ساخت پلیمرهای فرا مولکولی ساده است؟
از آنجایی که مواد پلیمری خواص و ویژگی‌هایی مشابه با مونومرهای سازنده خود دارند سوال حقیقی اینگونه مطرح میشود که آیا ساخت مونومرها ساده است یا خیر؟
پاسخ به این سؤال با توجه به نوع مونومر متفاوت است. برای تعدادی از آنها به گام های متفاوتی از سنتز های ارگانیک پیچیده نیاز است ولی تعدادی از آنها نیز به سادگی ساخته می شوند حتی در مقیاس بسیار بزرگ. خوشبختانه بیشتر مواد پرطرفدار در گروه دوم جای می گیرند. علاوه بر آن امکان خالص سازی پلیمرهای فرا مولکولی با استفاده از انواع متفاوت وجود دارد که برای مولکولهای ارگانیک کوچک توسعه داده شده اند. این ویژگی خود مزیتی نسبت به پلیمرهای کووالانسی است که خالص سازی آن ها با دشواری بسیار بیشتری صورت میگیرد.
آیا امکان ترکیب دو و یا چند نوع از مونومر وجود دارد؟
بله و این کار به سادگی با ترکیب چندین نوع مونومر با یکدیگر صورت میگیرد. ویژگی های هم بسپار های فرا مولکولی نهایی را میتوان با توجه به رویکرد های مدولار و تغییر نسبت مونومرها تنظیم کرد.
مهمترین مزیت پلیمر های فرا مولکولی و علت فروش بالای آنها چیست؟
شاید بزرگ ترین مزیت پلیمرهای فرا مولکولی وابستگی بسیار چسبندگی ناشی از ذوب این مواد بر دما باشد زیرا زمانی که این مواد در معرض دمای بالاتر از دمای تبدیل شیشه ای یا نقطه ذوب خود قرار بگیرند پس از آن میزان چسبندگی آنها به مقدار فراوان کاهش پیدا خواهد کرد. بنابراین فراوری آنها به سادگی صورت گرفته و می توان از آنها برای تولید محصولات بسیار متفاوت استفاده کرد.
چرا ویژگی های ماده تا این اندازه بر دما وابسته است؟
به دلیل مکانیزم های آزاد سازی تنش که پلیمرهای فرا مولکولی از آن برخوردارند. آزادسازی تنش در پلیمرهای فرا مولکولی از طریق خزش مولکول های بزرگ نیز صورت میگیرد ولی علاوه بر آن این زنجیره ها می توانند با شکستن و سپس ترکیب مجدد با سایر پایانه‌های زنجیرهای بدون فشار این استرس وارده را آزاد سازند. روش پایانی ویژه پلیمرهای فرا مولکولی میباشد و در دماهای بالاتر نیز سرعت بیشتری خواهد داشت. علاوه بر آن زنجیره های موجود در این پلیمرها با افزایش دما کوتاهتر خواهد شد و باعث می شوند تا ماده رفتاری مشابه مایعات داشته باشد.
آیا میتوان وابستگی رفتاری ماده بر دما را تغییر داد؟
به طور حتم پاسخ به این سوال مثبت می باشد زیرا پلیمرهای فرا مولکولی نسل دوم به گونه ای طراحی شده اند تا بتوانند بر هم کنش های جدیدی مانند پیوند های هیدروژنی جانبی بین گروه‌هایی در پایانه زنجیره‌های خود داشته باشند تا در نهایت ماده استحکام بیشتری پیدا کند. گروه های پایانی معمولاً به اولیگومرهایی متصل می شوند که جرم مولکولی برابر با چند هزار دالتون دارند. زنجیره های پلیمری معمول نیز جرم مولکولی برابر با چند صد هزار دالتون دارند. بنابراین پلیمرهای فرا مولکولی تولید شده اند تا بتوانند در دمای بسیار بالاتری ذوب شوند ولی آنها در دمای پایین تر از نقطه ذوب خود حالت ارتجاعی و انعطاف پذیر دارند. بهبود ویژگی‌های این پلیمرها ناشی از پیوندهای هیدروژنی جانبی بین گروههای پایانی است که باعث میشود تا ماده به فیبر‌های نانو تبدیل شود. مطالعات بیشتر در این حوزه تعیین میکند که تاثیرگذاری یادشده به صورت عمومی صورت می گیرد و یا فقط این قسمت را شامل میشود.
آیا پلیمرهای فرا مولکولی از خواص ویژه دیگری هم برخوردارند؟
بنا بر گزارش‌ها اخیر لاستیک‌های فرا مولکولی می‌توانند خاصیت خود ترمیمی داشته باشند و ترکهای به وجود آمده در نمونه های آن ها با فشار دادن دو لبه شکسته ماده به سمت یکدیگر بهبود پیدا خواهد کرد. مخترعین لاستیک پیشنهاد می کنند که ترک های به وجود آمده در این مواد ناشی از شکستگی بین پیوندهای هیدروژنی است و وارد آوردن فشار به لبه های دو طرف در بخش ترک خورده باعث میشود تا این پیوندهای هیدروژنی بهبود پیدا کنند و ناحیه خالی را پر سازند.
کدام یک از مصارف این مواد بیشترین کاربرد را در بازار دارند؟
اولین مصرف پلیمرهای فرا مولکولی به عنوان پوششی برای زیر لایه های حساس در برابر گرما و ظریف می باشد. به عنوان مثال امکان پوشش دهی به بسیاری از مواد و چوب ها توسط پلیمرهای کووالانسی وجود ندارد زیرا قرارگیری این پلیمرها در معرض حرارت و ذوب شدن آنها می‌تواند به زیرلایه آسیب وارد کند. اما از آنجایی که پلیمرهای فرا مولکولی نقطه ذوب پایینی دارند چنین مشکلی به وجود نخواهد آمد و علاوه بر آن می توان از آنها برای تولید چسب های فوق‌العاده‌ای استفاده کرد و توانایی بالقوه برای بکارگیری به عنوان جوهر هم دارند.
آیا پلیمرهای فرا مولکولی طبیعی نیز وجود دارند؟
بله ولی تعداد آنها زیاد نیست زیرا تعدادی از مولکولهای پروتئینی شبکه‌های کوچکی را تشکیل می دهند تا بتوانند عملکرد مناسبی داشته باشند ولی زنجیره‌های آنها به اندازه‌ای بلند نیست که بتوان آنها را در دسته مواد پلیمری قرار داد.
آینده پیش روی پلیمر های فرا مولکولی چگونه است؟
پلیمرهای فرا مولکولی به عنوان یک بخش واحد از یک حوزه عمومی با نام پلیمرهای خود تجمعی شناخته خواهند شد و در قسمتهای متفاوتی از برق و الکترونیک تا پزشکی به کار برده خواهند شد. علاوه بر آن پیچیدگی سیستم های مولکولی این مواد به سرعت افزایش پیدا خواهد کرد و به توسعه گستره بزرگتری از خواص پلیمری منجر خواهد شد.
