پوليمر

البوليمر أوالمتماثر Polymer هومصطلح عام يستخدم في الأساس لوصف جزيء طويل. وهذا الجزيء الطويل يتكون من وحدات بناء ووحدات متكررة مربوطين معا عن طريق روابط كيميائية. وعملية تحويل هذه الوحدات إلى بوليمر تسمى بلمرة. وهذه الواحدات تتكون من المونومرات, والتى غالبا ما تكون جزيئات صغيرة ذات وزن جزيئ قليل.

ويمكن حتى تكون هذه المنونومرات متطابقة, أومستبلة بمجموعة كيميائية أوأكثر. هذه التغييرات التى تحدث في المونومرات قد تؤثر في خواص البوليمر مثل المرونة, قابلية الذوبان, أوقوة شد البوليمر. في البروتينات, هذه التغييرات يمكن حتى تجعل البوليمر القدرة على حتىقد يكون له الهجريب المناسب, بدلا من حدوث لف عشوائي "Random Coil" له. وبالرغم من حتى معظم البوليمرات تعتبر عضوية (أى أنها مبنية على سلسلة كربونية), فإنه يوجد أيضا بوليمرات غير عضوية, وغالبا ما تكون سلاسلها مبنية على أصل من السيليكون.

ويغطى المصطلح بوليمر مدى واسع من الجزيئات, متضمنا أيضا بعض المواد مثل البروتينات والخيوط التى لها قوة شد عالية مثل خيوط كيفلر. والأساس في التفريق بين البوليمرات والجزيئات الأخرى الكبيرة هووجود الوحدات المتكررة (المونومرات) في سلاسل البوليمر. ويحدث هذا خلال عملية البلمرة, والتى ترتبط فيها وحدات عديدة من المونومرات معا لتكوين سلسلة طويلة من البوليمر. فمثلا, عملية تكون البولي إثيلين "Polyethylene or Polyethene" تتضمن تشابك ألاف الوحدات من جزيئات الإثين معا لتكوين سلسلة لها الوحدا المتكررة -CH₂- :

غالبا ما يتم تسمية البوليمرات على أسم المونومرات المكونة للبوليمر, فمثلا, يتم تمثيل البولي إثيلين كالتالي:

ولأن البوليمرات غالبا ما يتم التفرقة بينها بالمونومرات المكونة لها, فإن سلاسل البوليمرات في أى مادة لاقد يكون لها نفس الطول. وهذا بعكس الجزيئات الأخرى التى تتكون من عدد معين من الذرات, ويكون لكل جزيء وزن جزييء محدد. وإختلاف أطوال سلاسل البوليمرات لإن السلاسل تنتهى بطريقة عشوائية خلال تطور عملية البلمرة.

البروتينات ما هى إلا أحماض أمينية في شكل بوليمر. ومن دستة إلى عدة مئات من (تقريبا) أشكال المونومرات التى تكون السلسلة, فإن التتابع الذى يتكون به البروتين يحدد خواصه ونشاطه. ولكن يوجد في هذه البروتينات ما يسمى مناطق نشيطة, والتى تكون محاطة بما يعتقد (حتى 2003) بأنه مناطق هجريبية, والتىقد يكون دورها الأساسي هوإظهار هذه المنطقة/المناطق النشطة. وعلى ذلك فإن التتابع الأصلي للحمض الأميني ليس له أهميوكبيرة, طالما حتى هذه المناطق النشطة يمكن الوصول إليها بفاعلية. وحيث ان تكون البولي إثيلين يحدث بطريقة عشوائية, فإن من يقوم بتصنيع البروتينات الحيوية والأحماض النووية يجب حتىقد يكون لديهم عامل حفز (مادة تقوم بتسيهل أوتعجيل التفاعل). ومنذ الخمسينيات من القرن العشرين, كان للعوامل الحفازة دور كبير في تصنيع البوليمرات. وبوجود مزيد من التحكم في تفاعلات البلمرة, فإنه تم تصنيع بوليمرات ذات خصائص فريدة, مثل القدرة على إصدرا ضوء ملون.

وللحصول على خصائص جيدة للبوليمر فإنه لابد من ضبط عديد من العوامل. وهذا لأن البوليمر يتكون في الحقيقة من توزيعات من السلاسل بأطوال مختلفة, وكل سلسلة تتكون من حصيلة المونومرات التى تؤثر على خواص البوليمر. وبعض هذه العوامل مشروحه بالأسفل.

الخواص الفيزيائية للبوليمرات

تتضمن الخواص الفيزيائية للبوليمرات درجة البلمرة وتوزيع الكتلة المولية.

التفرع

خلا عملية تطور سلاسل البوليمر, يمكن حتى يحدث تفرع. في بلمرة الراديكالات, يحدث هذا عندما تلتف سلسلة للخلف وترتبط لجزء سابق منها. وعندما تتكسر هذه الإلتفافة, تهجر أجزاء صغيرة كالبراعم في سلسلة الكربون الرئيسية. السلاسل المتفرعة لا يمكن حتى تصطف في شكل متقارب من بعضها مثل السلاسل الغير متفرعة. وهذا يؤدى لقلة التلامس بين الذرات في مختلف السلاسل المتنوعة, وهذا يقلل فرص حدوث فرص ثنائيات الأقطاب الدائمة أوالتى يمكن حتى يحدث لها حث. كما أنه يوجد أجزاء من السلاسل ذات كثافة قليلة. والدليل على ذلك إنخفاض درجات الذوبان وضعف قوة الشد للبولليمر الناتج, لأن القوى بين الجزيئات تكون ضعيفة ويمكن كسرها بسهولة.

الإنتظامية الفراغية

الإنتظامية الفراغية أوالإنتظامية تصف الترتيب المتساوي الأجزاء " isomeric " للمجموعات الفعالة على السلسلة الكربونية. السلاسل التى لها شكل أيزوتاكتيك "isotactic" تعهد على حتى المجموعات الفعالة بها تكون موجودة في ناحية واحدة من السلسلة. وهذا يمكنهم من حتى يصطفوا بالقرب من بعض, وتكوين مناطق متبللرة مما ينتج عنه بوليمر ذوصلابة عالية.

وبالعكس السلاسل التىقد يكون لها شكل أتاكتيك "atactic" فإن المجموعات فيها تكون موزعة بطريقة عشوائية على جوانب السلسلة. وعلى هذا تكون السلاسل غير مرتبطة مع بعضها البعض بطريقة جيدة وتصبح القوى بين الجزيئات ضعيفة. وهذا يؤدى لكثافة أقل وقوة شد ضعيفة, ولكنه يعطى درجة عالية من المرونة.

المجموهات يمكن حتى تتوزع أيضا بطريقة سيندايوتاكتيك "syndiotactic" والتى تكون فيها المجموعات موزعة بطريقة عكسية ولكن بإنتظام. ونظرا لأن هذا يعتبر نوع من الإنتظامية, فإن السلاسل السيندايوتاكتيك يمكن حتى تنظم نفسها بالفرب من بعضها البعضوولكن من طبيعة الحال ليس بالدرجة التى تحدث في السلاسل الأيزوتاكتيك. البوليمرات السيندايوتاكتيكقد يكون لها مقاومة عالية للضغط وأكثر من البوليمرات الأيزوتاكتيك لأن لها مرونة أكعلى ناتجة من ضعف القوى بين الجزيئات.

تكوين البوليمرات

البلمرة الإسهامية

البلمرة الإسهامية هى بلمرة بنوعين أوأكثر من المونومرات. ومثال لذلك مونومرات الأحماض الأمينية التى تم ذكرها من قبل, التى تتكون منها البروتينات. البلمرة الإسهامية لمونومرات مختلفة ينتج عنها بوليمرات بخواص مختلفة. فمثلا, البلمرة الإسهامية للإثين بكميات قليلة من الهيكسين hex-1-ene هى طريقة لإنتاج بولى إثيلين خطث قليل الكثافة (Linear Low Density Polyethylene LLDPE) "شاهد [بولي إثيلين]]. تفرعات C₄ التى تنتج من الهيكسين تقلل الكثافة وتمنع تكون مناطق متبلرة في البوليمر كما يحدث في البولى إثيلين عالى الكثافة (HDPE). وهذا يعنى حتى (LLDPE) يمكن حتى يتحمل قوى الشد وتبقى مرنة.

والشكل القادم يوضح نوع معين من البلمرة الإسهامية تسمى البلمرة الرمحلية, أوالبلمرة التكاثفية. وفى هذا النوع بالتحديد يتم إطلاق جزيء صغير خلال البلمرة. في شكل التفاعل الآتى, يتم إطلاق جزيء الماء ويتكون النيلون. ونوع النيلون (إسمه وخواصه) يتم التحكم بها بمجموعتى R ، R' المستخدمة.

الخواص الكيميائية للبوليمرات

القوى بين الجزيئية

قوى التجاذب بين سلاسل البوليمر تلعب دور كبير في تحديد خواص البوليمر. لأن سلاسل البوليمر طويلة للغاية, فإن قوى التجاذب بين الجزيئات تكون أكبر من القوى بين الجزيئات العادية. كما حتى السلاسل الطويلة تكون غير متبللرة (كيفية توجيهها عشوائية). ويمكن تصور شكل البوليمرات كما لوكانت خيوط مكرونة سباجيتتى طويلة وكثيرة ومتشابكة, وحدثا زاد التشابك, حدثا زادت صعوبة فصل أحد خيوطها. وهذ القوى بين الجزيئات تؤدى إلى قوى شد عالية, كما يحمل من درجات حرارة الذوبان.

ويتم تحديد القوى بين الجزيئية يتم تحديدها بالقطبية الثنائية بين وحدات المونومر. البوليمرات التى تحتوى على مجموعات الأميد يمكن حتى تكون روابط هيدروجينية مه السلاسل المجاورة, ذرات الهيدروجين الموجبة في مجموعات N-H في أحد السلاسل تنجذب بشدة إلى ذرات الأكسجين في مجموعات C=O الموجودة في سلسلة أخرى. وهذه الروابط الهيدروجينية تؤدى إلى : مثلا, زيادة قوة الشد ودرجة الذوبان للكيفلر. البولي إستر يوجد بينها ترابط ثنائي القطب-ثنائي القطب بين ذرات الأكسجين في مجموعات C=O وذرات الهيدروجين في مجموعات H-C. الترابط ثنائي القطب ليس بقوة الرابطة الهيدروجينية, ولذا فإن درجة حرارة الذوبان وقوة الشد للبولى إثيلين تكون أقل من الكفلر, ولكن البولي إستراتقد يكون لها مرونة أعلى.

البولي إثيلين بصفة عامة ليس له ثنائية قطبية دائمة. قوى التجاذب بين سلاسل البولي إثيلين تنتج من قوى فان دير فال الضعيفة. كما لوكانت الجزيئات محاطة بسحابة من الإلكترونات السالبة. وعند إقتراب سلسلتين من البوليمر من بعضهما البعض, تقوم السحابة الإلكترونية في جميع منهما بدفع الأخرى. وهذا يؤدى لتقليل الكثافة الإلكترونية على جانب واحد من سلسلة البوليمر, مما يؤدى لتكون شحنة موجبة صغيرة على هذا الجانب. وهذه الشحنة كافية لجذب سلسلة البوليمر الأخرى. قوى فان دير فال ضعيفة للغاية, ولذلك, يذوب البولى إثيلين في درجات حرارة منخفضة.

خواص البوليمر

توجد عديد من التقنيات المعملية التى تستخدم لتحديد خواص البوليمر. مثل, تشتت الزاوية الكبير للأشعة السينية (wide angle X-ray scattering), تشتت الزاوية الصغير للأشعة السينية (small angle X-ray scattering), تشتت النيترون بزاوية صغيرة (small angle neutron scattering), ويتم إستخدامهم لتحديد الهجريب البللوري للبوليمر. تفريق لوني بعبور الهلام (Gel permeation chromatography) يستخدم لتحديد عدد متوسط الوزن الجزيئي, وزن متوسط الوزن الجزيئي تشتت متعدد إف تى أى أر (polydispersity. FTIR) يستخدم لتحديد الهجريب. الخواص الحرارية مثل درجة الإنتنطق الزجاجيةيمكن تحديدها عن طريق مثمن المسح التبايني (differential scanning calorimetry), وتحليلات الديناميكية الآلية (dynamic mechanical analysis). الإنحلال الحرارى متبوعا بتحليل المكونات الصغيرة يعتبر تقنية أخرى لتحديد الهجريب المحتمل للبوليمر.

البوليمر المعروف بإسم مادة البوليمر يستخدم في خلق البنكنوت في أستراليا ونيوزيلاند كما يستخدم في الأوراق النقدية التذكارية في بعض البلاد.