Народна Освіта » Фізика » § 7. Полімери. Рідинні кристали. Композити. Наноматеріали

НАРОДНА ОСВІТА

§ 7. Полімери. Рідинні кристали. Композити. Наноматеріали

Тверді природні і штучні речовини та матеріали неможливо розділити тільки на кристалічні та аморфні, оскільки їх різновидів набагато більше. Зараз широко застосовуються речовини, які поєднують властивості як рідких, так і твердих тіл, наприклад рідинні кристали чи гелі.

 

Полімери

Поліетилен, полістирол та інші пластмаси, а також гума, лаки, фарби - належать до полімерів. Природними полімерами є натуральний каучук, целюлоза, шовк, вовна, крохмаль. Зі штучних полімерів виготовляють синтетичні тканини, посуд, плівки для покриття теплиць, деталі і корпуси різноманітних пристроїв і механізмів. Полімери «побудовані» з макромолекул. Так називають молекули, які складаються з тисяч і навіть сотень тисяч молекулярних груп-мономерів, що повторюються, як на моделі, зображеній на малюнку 7.1. Макромолекули утворюють довгі (порівняно з шириною) ланцюжки, які скручуються і сплітаються між собою, подібно до волокон вовняної нитки (мал. 7.2).

Молекула ДНК, про яку ми вже говорили, складається з мільярдів момономолекуляр-них ланок.

Головна особливість макромолекул: велика довжина, ланцюжкова будова і гнучкість.

Для полімерів не характерні монокриста-лічний чи газоподібний стан. Вони бувають в одному з чотирьох станів: склоподібному, тобто невпорядковано аморфному, в'язко-текучому (мал. 7.2), частково-кристалічному (мал. 7.3) та високоеластичному (як гума).

Добре відомі вам гель і желе (що одне і те саме) - це концентрований розчин полімеру з сильно переплутаними макромолекулами,

які в окремих місцях «спаяні» одна з одною хімічними зв'язками. Така полімерна сітка, комірки якої заповнені водою, надає рідині незвичну жорсткість і дає змогу тримати форму. Згадайте холодець, мармелад, білок круто звареного яйця чи пудинг. Основна маса гелю припадає на розчинник.

 

Волокна

Широке застосування мають полімерні волокна (мол. 7.4), з яких виготовляють тканини і які використовують при виробництві композитів - ще одного типу штучних матеріалів. Акрил - приклад синтетичного волокна. У нашому гардеробі досить багато виробів з акрилу, ці тканини приємні на дотик і часто заміняють вовняні. Волокна природних полімерів шерсті та шовку можуть бути дуже довгими, наприклад, шовкові - до 1 км.

Пластмаси

Пластмаси отримують нагріваючи полімер і переводячи його у рідкий в'язкотекучий стан, а потім охолоджуючи. Такі пластмаси називають термопластами - це, наприклад, по-ліуретан, з якого роблять взуття для гірськолижників (мал.7.5).

Перехід полімеру з рідкого стану в твердий зупиняється на стадії частково кристалічного чи склоподібного стану, оскільки структура ніби «заморожується», застигає. Досягнути стану ідеального кристала можна тільки за допомогою спеціальних методів.

Поліетилен, нейлон, тефлон (ним покривають пательні, до яких нічого не прилипає), - відносяться до частково-кристалічних полі-мерів.Приклади пластмас, що знаходяться в склоподібному стані - це прозорі плексиглас, полістирол і поліхлорвініл - з яких роблять контейнери для холодильників, прозорі перегородки в офісах і які часто заміняють скло. До речі, справжнє скло складається з низькомолекулярних речовин - двоокису кремнію, окису бору, атомів Натрію, Калію.

Гума

 

Гума - це полімер, що знаходиться у високо-еластичному стані. Стальна струна при розтягуванні пружинить, оскільки збільшується відстань між атомами. Проте цю відстань не можна надто збільшувати, бо взаємодія між атомами швидко зменшується, і струна може обірватися. Механізм пружності гуми зовсім інший. Розтяг гумового джгута призводить до часткового розпрямлення макромолекул і витягування полімерної сітки, а не до збільшення відстані між атомами. Уданому випадку поведінку макромолекул можна порівняти з розтягом пружинки. Тому гуму можна розтягнути вдвічі і втричі порівняно з її початковою довжиною.

ІСТОРІЯ створення ГУМИ

Ще в першій експедиції Колумба європейців зацікавили м'ячі, якими грали індіанці. Вони були суцільними (на відміну від європейських), важкі і дуже добре підстрибували. Як виявилося, вони були каучуковими. Каучук отримують зі смоли дерева гевеї. Індіанці робили з каучуку також чоботи і накидки. Однак каучук еластичний, лише коли холодно, і починає розм'якшуватися і текти, коли стає тепло.

Шотландець Джон Макінтош використав каучук, уклавши його між двома шарами тканини. У результаті він отримав накидку, що не промокає. Взимку 1820 р. в Глазго він налагодив виробництво «макінтошів» і, завдяки британській погоді і своїй кмітливості, швидко розбагатів. Проте влітку каучук потік, плащі зіпсувалися, і Макінтош так само швидко збанкрутував.

Гуму, до якої ми сьогодні звикли, довго не вдавалося зробити. Тільки у 1839 році американець Чарльз Гудьїр винайшов вулканізацію. До вулканізації молекули полімеру можуть вільно ковзати одна відносно одної (мал. 7.6,а). Після вулканізації полімерні ланцюжки в певних місцях з'єднуються (це роблять атоми сірки) і утворюють еластичну сітку (мал. 7.6,6). Виявилося, що додавання сірки до каучуку з одночасним нагріванням робить з нього матеріал, який є еластичним і досить міцним у великому діапазоні температур. Скати автомобільних коліс фірми «Goodyear» можна зустріти і в наш час.

 

ДОСЛІД 7.Ί.

Виріжте шматок тканини розміром 5x10 см і виміряйте силу, яку треба прикласти, щоб витягнути одну окрему нитку. Силу можна виміряти за допомогою динамометра. Порівняйте значення сили, з якою витягується кожна наступна нитка. Спробуйте створити теорію цього явища.

 

Композити

Композитні матеріали, чи просто композити - це складні матеріали, що мають позитивні властивості кількох матеріалів, з яких вони складаються.

Деревина - природний композит, вона складається з волокон, які скріплені між собою клітковиною (целюлозою). Така будова робить деревину міцною і гнучкою. Властивості деревини вздовж і впоперек волокон дуже відрізняються. Пиляти деревину легше впоперек волокон, а колоти - вздовж. Теплопровідність уздовж і впоперек волокон також різна. Багатошарова фанера - це вже штучно створений людиною композит на основі тонких шарів деревини і клею.

Залізобетон і склопластик - це штучні композити. Структура їх нагадує структуру дерева, яке складається з волокон і клітковини-целюлози. Раніше лижі робили дерев'яними, а нині - зі складних композитів (особливо гірські лижі). Шоломи також роблять із композиту (мал. 7.7).

Склопластик (або фіберглас) - ще один відомий у побуті композит. Це тонкі скляні нитки (саме скло досить крихке), скріплені разом в'язкою клейкою полімерною масою, наприклад, епоксидною смолою. Зі склопластику роблять лижні палиці, великі й легкі листи для панелей, корпуси автомобілів, шоломи для мотоциклістів і гірськолижників та багато іншого.

Залізобетон - це бетон, армований сталлю. Бетон витримує величезні навантаження на стиск, але він крихкий і легко ламається при згинанні. Сталь добре витримує розтяг, вона пружна. Поєднання переваг бетону і сталі роблять залізобетон незамінним будівельним матеріалом. Поява залізобетону привела до революції як у будівельній індустрії, так і в архітектурі. Крім того, залізобетон набагато дешевший від стальних конструкцій, не ржавіє і є добрим теплоізолятором.

Наноматеріали

Унікальні властивості мають композити на основі ниткоподібних монокристалів із карбону - характерна довжина ниток 1 мм, типовий діаметр 1-5 мкм

(мал. 7.8). У перерізі нитки шестикутні і дуже міцні. Матеріали з вуглецевих композитів витримують високу температуру, не втрачаючи міцності, мають (теоретично) в 130 разів більшу, ніж сталь міцність, і в п'ять разів меншу густину. З них роблять електропровідні і вогнетривкі покриття, штучні суглоби, деталі літаків і космічних апаратів.

 

Ниткоподібні кристали fix ще називають «вусами») вперше виростили з олова. їх міцність майже в 100 разів більша від міцності звичайних кристалів. З на-нотрубок планують отримати трос, який, маючи діаметр 1 мм, зможе втримати навантаження в 10 т. Якщо ниткоподібний кристал зігнути дугою, то він випрямиться. Якщо його зігнути під прямим кутом, то він таким і залишиться. Якщо ж його підігріти в місці згину, то кристал розпрямиться.

 

Графен

Якщо з графіту «зняти» один шар, що складається з карбонових шестикутників, і не дати йому згорнутися у трубки (мал. 7.9), зліпивши докупи клеєм, то можна отримати матеріал, який має фантастично перспективні властивості. Наприклад, квадратна плита зі стороною 500 м, скомпонована з шарів графену, яка має товщину 1,5 см і підперта в кутах стовпами, зберігатиме горизонтальне розташування не прогинаючись. Саме такий матеріал отримали в 2004 році Костянтин Ho-восьолов та Андрій Гейм у Манчестерському університеті, Великобританія.

Рідинні кристали

Симетрія розміщення атомів у твердих кристалічних тілах стосувалася тільки кристалічної ґратки. Ґратка має правильну просторову геометричну структуру (така симетрія називається трансляційною, оскільки здійснюється паралельним перенесенням елементарної комірки по трьох основних напрямах ґратки). Проте можлива й орієнта-ційна симетрія, коли атоми (молекули) певним чином орієнтовані в просторі. Звичайно, атоми (молекули) в такому випадку не можна

розглядати як кульки, і вони самі по собі повинні бути несиметричними (чи мати несиметричні властивості в певному напрямі). Така симетрія спостерігається у твердих тілах, особливо якщо це молекулярні кристали (наприклад, лід).

Але найцікавіше, що орієнтаційну симетрію, а інколи і трансляційну, мають часом і рідини. Такі речовини прийнято називати рідинними кристалами, і вони мають у наш час широке застосування (мол. 7.10).

Рідинні кристали дуже часто складаються з продовгуватих, але не надто довгих, макромолекул. Ці молекули при певних температурах орієнтовані паралельно одна одній і тому утворюють симетричну структуру. Якщо їх центри при цьому розміщені хаотично, то рідинний кристал називають нематичним (мол. 7.11,0) або нематиком. Якщо центри молекул розміщені паралельними шарами, то це вищий рівень симетрії (мол. 7.11,6). Такі рідиннокристалічні речовини називають смектичними. Деякі рідинні кристали по-різному відбивають світло в симетричному і хаотичному станах, тому їх застосовують у рідиннокристаліч-них дисплеях комп'ютерів і цифрових пристроїв (годинників чи термометрів [див. мол. 7.10).

Звичайний мильний розчин також є рідиннокристалічним, оскільки молекули мила значно довші, ніж ширші, однаково орієнтовані й розміщені шарами, які розділяються прошарками води. Той кінець молекули, який притягується до молекул води, має негативний електричний заряд і позначений кружечком. Довжина молекули приблизно 30-40 А, а ширина 4 А (мол. 7.11,в). Такою структурою мила та інших миючих засобів пояснюються їх миючі властивості.

ТВОРЧА ЗАДАЧА

7.1.    Краплі олова і цинку повільно охолоджують. Олов'яна крапля залишається круглою, а цинкова набуває плоских граней. Чому?

7.2.    Чи можна отримати рідинний кристал з полімеру?

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Полімери «побудовані» з макромолекул. Головна особливість макромолекул: велика довжина, ланцюжкова будова і гнучкість.

Полімери бувають в одному з чотирьох станів: склоподібному, тобто не-впорядкованому аморфному, в'язкотекучому, частково-кристалічному та високоеластичному.

Композити - це складні природні чи штучні матеріали, які часто складаються з волокон, скріплених клейкою речовиною, наприклад, дерево, склопластик, залізобетон.

Рідинні кристали відносяться до рідин, хоча мають симетрію в розміщенні молекул, характерну для кристалічних твердих речовин.

ВПРАВА № 7

1.    Наведіть приклади полімерних матеріалів.

2.    Чи може полімер перебувати в газоподібному стані?

3.    Чи можлива дифузія в полімерах?

4.    У чому полягає різниця між лінійними і глобулярними полімерами?

5.    У чому полягає різниця між пружними властивостями сталі і гуми?

6.    Чому сталь не можна деформувати так сильно, як гуму?

7.    У чому полягає процес вулканізації з точки зору молекулярної теорії?

8.    Чому гель зберігає форму?

9.    Чим відрізняються композити від інших твердих тіл?

10.    Назвіть відомі вам природні композити.

11.    Чому скло крихке, а склопластик - ні?

12.    Чому із залізобетону можна будувати будівлі, висота яких значно більша від висоти цегляних будівель?

13.    Чому композити мають кращі якості, ніж вихідні матеріали?

14.    Які типи симетрії спостерігаються в рідинних кристалах?

15.    Чим відрізняються між собою рідиннокристалічні речовини?

16.    Чим схожі між собою рідинні і звичайні кристали?

17.    Що спільного між фанерою, склопластиком і залізобетоном?

 

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка 

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 11-08-2016, 14:05, посмотрело: 1132