پلیمرها مولکول های بسیار بزرگی هستند که از مولکول های کوچکتر ساخته شده اند. نحوه چیدمان آن واحدهای کوچکتر در پلیمر موضوعی است که هنوز خیلی دقیق به آن نپرداخته ایم. توپولوژی مطالعه اشکال و روابط سه بعدی یا نحوه چیدمان اجزای مجزا در یک کل است. بیایید نگاهی به توپولوژی پلیمرها بیندازیم.
در سادهترین سطح، ما پلیمرها را بهعنوان زنجیرهای از مونومرها در نظر گرفتهایم که مانند مهرههایی روی یک ریسمان به هم متصل شدهاند. ما حتی از فعل “enchain” برای توصیف عمل گرفتن یک مونومر و گره زدن آن به یک پلیمر بزرگتر استفاده می کنیم. زنجیره اساسی ترین ساختار پلیمری است. این توپولوژی اغلب به سادگی به عنوان یک زنجیره یا برای برجسته کردن ساختار، یک پلیمر خطی نامیده می شود.
حتی یک زنجیره ساده، در این زمینه، میتواند ویژگیهای ساختاری دیگری داشته باشد که قابل تامل است. این ویژگی ها به نحوه رشد یک زنجیره پلیمری از تک تک مونومرها مرتبط است. اگر پلیمر از یک واکنش زنجیره ای حاصل شود که معمولاً برای پلیمریزاسیون آلکن ها استفاده می شود، زنجیره در حال رشد معمولاً دارای دو انتهای مجزا است. یک انتها، که گاهی اوقات دم نامیده می شود، محل اولین مونومر است که در پلیمر گنجانده شده است، و همچنین مقداری باقیمانده از آغازگر برای شروع فرآیند پلیمریزاسیون است. انتهای دیگر که گاهی سر اما معمولاً فقط انتهای در حال رشد نامیده می شود، محل فعال است، جایی که مونومرهای جدید در شرف اتصال به پلیمر هستند.
این همان چیزی است که در بیشتر موارد زمانی اتفاق می افتد که آغازگر قادر به واکنش با یک مونومر و شروع واکنش زنجیره ای باشد. با این حال، گاهی اوقات آغازگرها غیرعملکردی هستند. آغازگرهای غیرعملکردی قادر به دریافت دو مونومر برای شروع رشد یک زنجیره پلیمری هستند: یکی در هر جهت. در این صورت، قطعه آغازگر در وسط این زنجیره در حال رشد جدید باقی میماند که از وسط به سمت بیرون رشد میکند. هر دو انتهای زنجیره انتهای در حال رشد هستند. در این نوع رشد، زنجیره را «تلهلیک» میگویند.
گاهی اوقات زنجیره های پلیمری ساختار ساده و خطی ندارند. در عوض، زنجیر آنها از اینجا و آنجا منشعب می شود. این توپولوژی “شاخه” نامیده می شود. این سازه به جای اینکه شبیه یک مار یا یک تکه اسپاگتی باشد، بیشتر شبیه به طول جلبک دریایی است. انشعاب گاهی اوقات مصنوع از نحوه ساخت پلیمر است و بنابراین گاهی اوقات همین مونومرها ممکن است به پلیمر خطی تر یا منشعب تر منجر شوند. نمونه بارز پلی اتیلن است که بسته به شرایطی که اتیلن در آن زنجیر می شود، می تواند پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) یا پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) را تشکیل دهد.
در یک پلیمر شاخه دار، زنجیرهای کوچکتر مانند اندام در امتداد تنه درخت یا برگها در امتداد ساقه رشد می کنند. ما میتوانیم این ترتیب را یک قدم جلوتر به چیزی ببریم که بیشتر شبیه یک شبکه است. در چیزی که ما آن را ساختار متقاطع می نامیم، شاخه ها یک زنجیره اصلی را به زنجیره بعدی متصل می کنند و آنها را به یک قطعه بزرگ به هم متصل می کنند. گاهی اوقات به این نوع سازه ترموست گفته می شود.
کلمه “ترموست” در واقع توصیف خاصیت فیزیکی یک پلیمر است، در مقابل “ترموپلاستیک”. ترموپلاستیک پلیمری است که می تواند ذوب شود و پس از پلیمریزاسیون به اشکال جدید تبدیل شود. در مقابل، هنگامی که یک ترموست پلیمریزه شد، شکل خود را حتی در هنگام گرم شدن نیز حفظ می کند. ذوب نمی شود با این حال، این اصطلاحات مفاهیمی در مورد توپولوژی مواد دارند.
دلیل اینکه ترموپلاستیک ها را می توان ذوب کرد و به شکل های جدید در آورد این است که از مولکول های جداگانه ساخته شده اند. مولکول ها ممکن است بسیار طولانی باشند و حتی ممکن است منشعب شوند، اما در دمای کافی بالا، این مولکول ها می توانند کاملاً مستقل از یکدیگر حرکت کنند. آنها می توانند ذوب شوند و بنابراین موادی که از این مولکول های جداگانه تشکیل شده اند، شکل های جدیدی به خود می گیرند.
در یک ترموست، پیوندهای عرضی زنجیرههای مختلف ماده را به هم متصل میکنند و پلهایی را تشکیل میدهند که از زنجیرهای به زنجیره دیگر میپیچد و اساساً ماده را در یک مولکول بزرگ متحد میکند. اگر یک مولکول بزرگ باشد، زنجیره ها هرگز نمی توانند کاملاً مستقل از یکدیگر حرکت کنند و ماده نمی تواند شکل جدیدی ایجاد کند. با نگاهی دیگر، آن پیوندهای عرضی زنجیرههای اصلی را در جای خود میبندند. آنها ممکن است بتوانند در اطراف برخی از آنها حرکت کنند، اما هرگز نمی توانند خیلی دور بروند. اگر مقدار اتصال عرضی کافی باشد، مواد را همیشه به همان شکل اولیه نگه می دارند.
البته، فقط کمی اتصال عرضی ممکن است همان تأثیر را نداشته باشد. ممکن است دو یا سه زنجیر به هم گره بخورند تا یک مولکول بزرگ را تشکیل دهند، اما آنها بیشتر شبیه زنجیرهای بسیار منشعب عمل می کنند تا شبکه های کشیده.
همچنین شایان ذکر است که اصطلاح “صلیبپیوند” در صورت استفاده به روشهای مختلف در واقع میتواند به معنای متفاوت باشد. گاهی اوقات، پیوندهای عرضی به پیوندهای کووالانسی واقعی اشاره دارد که دو زنجیره را به هم متصل می کند. به این اتصالات “صلیب های شیمیایی” می گویند. کلمه شیمیایی به پیوندهای کووالانسی اشاره دارد. از طرف دیگر، زنجیره ها را می توان از طریق نیروهای بین مولکولی قوی به یکدیگر متصل کرد. البته این به هیچ وجه یکسان نیست، زیرا می توان با انرژی کافی بر این نیروهای بین مولکولی غلبه کرد و بنابراین در برخی مواقع ممکن است زنجیره ها دیگر به هم گره نشوند. به این اتصالات «صلیبهای فیزیکی» میگویند تا از پیوندهای دائمی متمایز شوند.
برای استفاده از یک قیاس زیست شناسی، پیوندهای سولفیدی در پروتئین ها نمونه ای از پیوندهای متقابل شیمیایی است. آنها پروتئین را محکم در یک شکل نگه می دارند و برای شکستن این اتصال یک واکنش شیمیایی لازم است. پیوندهای هیدروژنی معمولی که در پروتئین بسیار رایج هستند، پیوندهای متقاطع فیزیکی هستند. از آنجایی که می توان با افزودن گرما بر آنها غلبه کرد، پروتئین ها به دما بسیار حساس هستند.
دندریمرها نوع دیگری از ساختارهای منشعب هستند. این اصطلاح از دندرون یا درخت یونانی گرفته شده است . دندریمرها با پلیمرهای منشعب معمولی تفاوت دارند زیرا الگوی انشعاب بسیار منظم تری دارند. دندریمر در واقع از مرکز به سمت بیرون رشد می کند و در فواصل منظم به بیرون منشعب می شود.
بسیاری از دندریمرها پلی آمید هستند، اگرچه انواع دیگری نیز وجود دارد. به طور کلی، حداقل یکی از مونومرها سه تابعه است که انشعاب را به روشی قابل پیش بینی معرفی می کند.
همانطور که دندریمرها به سمت بیرون رشد می کنند، لایه به لایه، آنها اغلب بر حسب نسل توصیف می شوند. فرض کنید با یک مونومر سه کاره در وسط شروع می کنید. این نسل 0 است. اگر مونومر به سمت بیرون پلیمریزه شود تا زمانی که مجموعه دیگری از مونومرهای سه عاملی روی لبه متصل شود، یک دندریمر نسل اول خواهیم داشت. اگر به راه خود ادامه دهیم و یک لایه دیگر از مونومرهای سه کاره اضافه کنیم، یک دندریمر نسل دوم خواهیم داشت و غیره.
این دندریمرها روی کاغذ مانند پنکیک دایرهای به نظر میرسند، اما برهمکنشهای فضایی بین گروهها، چیزها را به سه بعدی تبدیل میکند. در نتیجه، دندریمرها تقریباً کروی شکل هستند.
در برخی از نمونه های پلیمری که دیدیم، زنجیره در واقع از دو مونومر مختلف تشکیل شده است. این در مورد پلی آمیدهایی مانند نایلون-6،6 صادق است. در آن مثال، زنجیره از آمینهای دارای عملکرد متناوب با کربوکسیلوئیدهای دارای عملکرد (مانند اسیدهای کربوکسیلیک یا کلریدهای اسیدی) تشکیل شده است. ما می توانیم پلیمری مانند آن را از دو مونومر مختلف در نظر بگیریم. البته، به دلیل واکنش مکمل آنها، آنها باید متناوب شوند: یک آمین و سپس یک کربوکسیلوئید، برای تشکیل یک آمید، و غیره. ما می توانیم این پلیمرها را به عنوان “هم پلیمر” در نظر بگیریم، به این معنی که آنها از بیش از یک نوع مونومر تشکیل شده اند. میتوانیم جلوتر برویم و بگوییم که آنها «همپلیمرهای متناوب» هستند، زیرا دو مونومر مختلف در طول زنجیره با یکدیگر متناوب میشوند.
در برخی موارد، نیازی نیست که دو مونومر مختلف به روشی که در نایلون-6،6 انجام می دهند، جایگزین شوند. اگر مخلوطی از آلکنها را انتخاب کنید که قادر به تشکیل پلیمر هستند و آنها را با هم پلیمریزه کنید، ممکن است آنها را بهطور تصادفی به یک پلیمر در حال رشد متصل کنید. به این آرایش «کوپلیمر تصادفی» یا گاهی «کوپلیمر آماری» می گویند. به عنوان مثال، شاید بتوانید یک توالی تصادفی از واحدهای پروپن و وینیل کلرید را همراه با پلیمر بدست آورید.
توجه کنید که در مثال بالا همچنان همان زنجیره اصلی زیگزاگ را در پلیمر داریم. تنها چیزی که بین یک مونومر و دیگری تغییر می کند، گروه متصل به آن زنجیره اصلی است. گاهی اوقات فکر کردن به این زنجیره اصلی یا “ستون ستون فقرات” جدا از گروه های متصل یا “آویز” مفید است. در این مورد، ما چیزی شبیه یک ستون فقرات پلی اتیلن داریم که کلریدهای آویز یا متیل ها به طور تصادفی به آن متصل شده اند.
چیدمان تصادفی تنها امکان نیست. شاید تمام وینیل کلریدها در یک ردیف پلیمریزه شده و سپس همه پروپن ها بعد از آنها ترکیب شده باشند. نتیجه یک کوپلیمر دی بلوک خواهد بود. یک بلوک جامد از پلی (وینیل کلرید) در یک انتهای زنجیره و یک بلوک جامد از پلی پروپیلن در انتهای دیگر وجود دارد.
چند راه وجود دارد که ممکن است اتفاق بیفتد. شاید قبل از افزودن پروپن صبر کرده باشید تا تمام وینیل کلریدها زنجیر شوند تا تمام وینیل کلریدها در انتهای دم زنجیر شوند و پروپن ها در انتهای رشد بعداً اضافه شوند. از طرف دیگر، شاید شما همه آنها را به یکباره اضافه کردید، اما وینیل کلریدها خیلی سریعتر از پروپن ها پلیمریزاسیون شدند. وینیل کلریدها همگی قبل از اینکه پروپن ها فرصتی پیدا کنند به زنجیر کشیده شدند.
این احتمالات فرض می کنند که مونومرها همگی به صورت خطی به زنجیر کشیده شده اند. احتمالات دیگری نیز وجود دارد. ممکن است یک مجموعه از مونومرها ستون فقرات پلیمری را تشکیل دهند و مجموعه دیگر شاخه های آویز در طول زنجیره را تشکیل دهند. این آرایش “هم پلیمر پیوندی” نامیده می شود، گویی که ما درختان سیب کوچکی داریم که روی تنه یک نژاد دیگر پیوند زده شده اند.
