А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этому способствовало то, что в середине 60-х годов крупнейшие физики, такие как И. М. Лифшиц в СССР, С. Ф. Эдвардс в Англии, П. Ж. де УКен во Франции, обратилпсь к изученн!о полимерных систем. В их работах были открыты важные аналогии полимерных задач с самыми актуальными и животрепещущими общефизичсскими проблемами.
Полимерная тематика появилась на страницах основных мировых физических >курналов и на заседаяиях крупнейших физических сел!инаров. Этот процесс доволыю быстро привел к формированию стройной и красивой системы простых моделей и качественных представлений об основных особенностях физических свойств полимеров на молекулярном уровне, к успешному применению этих представлений как в физической химии полимеров, так и в молекулярной биологии.
Поэтоь!у физика сейчас играет все более заметную роль в мире пс лимеров, Отметим также, что для тех людей, чей образ мышления ближе к фнзнче кому, физика полимеров уже сама по себе дает основу для понимания как разнообразия возможностей применения полимеров в технике, так и их фундаментальной роли в биологии. Контуры тако~о понимания мы и хо. тим обрисовать в этой книге. Ав!оры благодарны М А. Лившицу и С. Г. Стародубцеву, прочитавшим рукопись этой книги, за сделанные нми полезные замечания. И последнее.
Содерисание науки, конечно, объективно, но книги о пауке пишут люди. И поэтому мы считаем своим долгом вспомнить здесь Илью Михайловича Лифппща (1917 — 1982), у которого нам посчастливилось учиться и который не только был автором многих излагаемых или упоминаемых в этой книге конкретных научных результатов, но и стмдавал вокруг себя воодушевляющую атмосферу горячего интереса к науке. Читателю предстоит теперь судить о нашей попытке воссоздать эту атмосферу в книге. Кроме того, в копне книги мы поместили переработапгый вариант пашей статьи <Физика полимеров и биофизика в творчес.!ве Ильи Михайловича Лифшица», впервые опубликованной в сборнике «Акадел!ик Илья Михайлович Лифшиц» 1М.! Знание, 1987).
6 глдвл Саине глаанси эо, чего глтаин не уеипнть. Ллтнал де Сент-Зиэюееери *Малеиьина принц» 1.1. Полимеры — длинные молекулярные цепи Было время, когда описание веществ в научных трщстатах прямо следовало показаниям органов чувств. Эту систему можно и сейчас встретить в некоторых учебниках: аВода есгь бесцветная н<идкость без вкуса и без запаха...» В наше время подобное описание могло бы включать в себя данные различных приборных исследований — всевозможные спектры, материальные константы н т. п. Но ° — СН вЂ” Си.,— СНэ — СНл — ° ° ° л " — СН,— СН вЂ” Си„— СН вЂ” " А Ь СНе СН СНе СН 1 сс сс Рис. 1.1. Химическая структура полиэтилена (а), полистирола (Се), поливииилклорила (л) вряд ли будут преувеличением слова, что знающий вещество современный специалист — физик, химик или биолог— должен, прежде всего, представлять себе молекулу этого вещества.
Так вот, полимеры — это вещества, состоящие из макромолекул, т. е. из длинных молекулярных полимерных пепей. На рнс. ).!а схематически показана структура простейшей полнмсрной цепочки макромолекулы полиэтилена. Видно, что эта макромолекула состоит из СН;групп (называемых.звеньямн цепи); соединенных в цепочку ковалентнымн химическими связями. Другим полимерам (полнстиролу, 9 поливинилхлориду) отвечает другая атомная структура звена цепи !рис. 1.1б, и), но факт цепного строения остается неизменным. Для того чтобы молекула считалась полимерной, число звеньев в цепи Л' должно быть велико: )У))1. Молекулы полимеров типа представленных на рис. 1.1, которые не встреча!отея в природе, а синтезируются искусственно в хим!.ческой лаборатории или на заводе а) !такие полимеры называются синтетическими), содержат обычно от сотен до десятков тысяч звеньев: Гт' 10а —:!О'.
Природные полимерные цепочки могут быть и длиннее. Самые длинные из известных полимеров — макромолекулы ДНК, для них число мономерных звеньев в цепи достигает миллиарда (У-10е) или даже десяти миллиардов (Ф-1О'е). Из-за такой большой длины цепей молекулы полимеров и называют макро- молекулами. Тот факт, что молекулы полимера представляют собой длинные цепочки мономерных звеньев, в истории науки был осознан не сразу. В начале ХХ века, даже когда гипотеза атомно-молекулярного строения вещества была окончательно доказана, никто е!це не пытался анализировать свойства полимерных веществ с молекулярной точки зрения, несмотря ва то, что природные полимеры к тому времени уже широко использовались (каучук, целлюлоза, шелк, шерсть и т.
д.). В это время господствующее представление о специфических свойствах полимерных веществ было таково, что опи являются некими сложными коллоидными системами. Только в начале 20-х годов появились фундаментальные работы немецко~о физико-химика Г. П!таудингера, в которых на основе анализа результатов экспериментов было вь!сказано предположение о цепном строении молекул полимерных веществ. Это предположение поначалу было встречено с определенным скептицизмом и даже вызвало насмешки в научных кругах.
Так, на одном из семинаров Д!таудингеру был задан вопрос: «Так какой же длинь! эти ваши молекулы — размером с ноготь или размером с палец?» Присутствующие сочли этот вопрос очень остроумным и разразились гомерическим хохотом.
С точки зрения современных представлений ничего смешного здесь пет: длина макромолекул ДНК, измеренная вдоль контура цепи, может доствгать метров. '! Для рис. !.! мы выбрали синтетиаеские полимеры, которые ванина~от первые три места па обьему в мировом производстве полимеров. 1О Ке:мотря на то, что его гипотеза поначалу не получила признания, Б(тзудингер продолжал ее отстаивать и дока, ывать все новыми экспериментальными фактами.
В результате к началу 30-х годов представление о цепном строении мекромолекул стало общепринятым. Часто говорят, что в восприятии любой научной идеи можно выделить три стадии: иа первой стадии все говорит «Ке может быть!», на в~орой — «В этом что-то есть!», на третьей — «Да это же давно известно!». Идея о том, что молекулы полимерного в щества-- это длинные молекулярные цепочки, прошла э:и трп стадии за десять лет. 1.2. Гибкость полимерной цепи После работ Штаудингера появились предпосылки того, чтобы в «мир полимеров» вмешалась физика: стали возможными попытки объяснить фиаические свойства различных полимерных веществ, исходя из цепного строе- Рне. !.2, Прямолнпейная копформацня полимерной цепи (а) н конфорнгция напуганного клубка (б) ппя составлякнцих нх полимерных молекул.
И первый вопрос этого типа, который встал перед учеными, исследую!цими полимеры: какова характерная формамолекуляриой цепи в различных полимерных веществах или, как говорят, какова конформацпя макромолекулыр Возьмем конкретный пример. Пусть молекула полимера растворена в обычном растворителе (например, в воде). Спрашивается, какова форма цепи макролюлекулы? Исходя нз линейной структуры полимерных цепей (рнс. 1.1), нз первый взгляд лопщно предположить, что форма цепи (конфорелация) приблизительно прямолинейная (рпс.
1.2а). Ио это не так. На самом деле полимерная цепь запуть;- ! ается в пространстве в неупорядоченный рыхлый клубок (! ис. 1 2б). Причиной этого янляется гибкость полимерной !..епи. Вообще говоря, представление о гибкости голнмерной «епп может показаться удивительным: ведь в школьном !! курсе органической химии изучают теорию Л. М. Вутлеро. ва, согласно которой атомы в молекуле связаны друг с другом ковалентными связями во вполне определенном порядке и тем самым расположение их в пространстве относительно друг друга тоже вполне определенное — соответству огцее структурной формуле. И если мы будем рассматривать маленький кусочек полимерной цепи, то все так и будет. Например, на рис.
1.3 изображена пространственная структура пебольцюго участка макромолекулярной це! и полиэтилена. Как видим, основную цепь образует последовательность ковалентно соединенных атомов углерода, к каждому из них, кроме того, присоединено по два атома Рнс. !.3. Прастрвнсгвеннвя структуре участка цепи полиэтилене в энергетически наиболее выгодной конформации водорода. В полном соответствии с привычнылти хил!нческими представлениями, атолты каждого звена или соседних звеньев расположены относительно друг друга достаточно определенным образом е). Есть даже целое научное направление, копформационный анализ полимеров, где изучают геометрию расположения атомов в коротких участках полимерных цепей — конечно, не полиэтилена, а более сложных полимеров.
Г!ример показан на рис. 1.4, где изображен участок двойной спирали ДНК. (Подробнее о структуре ДНК будет рассказано в разделе 3.6.) Из рисунка видно, что каждый атом действительно имеет вполне определенное место. Разумеется, атомы молекулы не закреплены в своих равновесных положениях абсолютно жестко. Под влиянием тех или иных вне!ниик причин, например тепловых соуда- е) Сейчас мы отвлеквелшя от того, что показанная ни рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
