Кіріспе
Роберт Гулстон Гилберт (1946 жылы туған) – полимер химиясының ғалымы, ең маңызды еңбектері эмульсиялық полимерлену саласында. 1970 жылы Австралия Ұлттық университетінен докторлық диссертациясын қорғап, сол жылдан бастап 2006 жылға дейін Сидней университетінде жұмыс істеді. 1982 жылы Австралия Корольдік химия институтының мүшесі, ал 1994 жылы Австралия Ғылым академиясының мүшесі болып сайланды. 1992 жылы толық профессор қызметіне тағайындалды, 1999 жылы Австралия Ғылыми-зерттеу Кеңесі, университет және индустрия қаржыландырған Полимерлік коллоидтардың ғылыми орталығын құрды. Ол Халықаралық таза және қолданбалы химия одағында (IUPAC) – химияның әлемдік басқару органында жетекші лауазымдарда болды. 1987–1998 жылдары полимерленудің кинетикалық процестерін модельдеу жөніндегі IUPAC жұмыс тобының төрағасы болды, қазір де мүшесі болып табылады, сондай-ақ IUPAC-тің крахмалдың молекулалық салмағын өлшеу және терминология жөніндегі ғылыми топтарының құрамында. IUPAC Макромолекулалық бөлімінің вице-президенті (1996–1997) және президенті (1998–2001) болды, Халықаралық полимерлік коллоидтар тобының хатшысы (1997–2001) қызметін атқарды. 2007 жылдан бастап Квинсленд университетінің Тамақтандыру және тағам ғылымдары орталығында ғылыми-зерттеу профессоры болып жұмыс істейді, оның ғылыми бағдарламасы крахмал құрылымы мен тамақтану арасындағы байланысқа бағытталған. Оның ғылыми жетістіктері өте күрделі жүйелерде жеке процестерді бөліп шығару үшін жаңа теориялық және тәжірибелік әдістерді жасауға негізделген. Теория мен тәжірибе арқылы осы процестердің механизмдерін анықтау арқылы ол кішкентай (газ фазасы) және ірі (полимерлік) реакциялар динамикасындағы жүйелерді түсінуді айтарлықтай тереңдетті және кейбір жағдайларда революция жасады.
Молекулалық реакция динамикасы
Химиялық процестердегі реакциялар мономолекулалық немесе бимолекулалық болып табылады. Мономолекулалық реакцияның жылдамдығы – соқтығысу энергиясының берілуі және толық оқшауланған молекуланың реакциясы сияқты микроскопиялық оқиғалар үшін жылдамдық коэффициенттерінің үлкен ансамблі бойынша есептелген орташа шама. Гилберттің мономолекулалық процестер саласындағы жұмысы осы қатынасқа арналған теоремаларды әзірлеуден басталды. Бұл теоремалар – матрицалық алгебраның тамаша жетістіктері, олар бұрын тек нақты жағдайларда ғана белгілі болған қатынастарды дәлелдейді. Оның теоремалары қажетті есептеулерді жүргізу үшін оған көмектесетін сандық әдістердің негізін құрады. Осы мақсатта ол UNIMOL деп аталатын компьютерлік бағдарламаны жасады, ол зерттеушілер арасында кеңінен қолданылады. Профессор Дж. Троемен бірлесіп, ол жылдамдық коэффициентінің қысымға тәуелділігі үшін қолдануға оңай шамалас шешімдерді әзірледі. Ол бұрыштық импульстің сақталуын ескеру қажет болатын жағдайлар үшін алғашқы шешімдерді ұсынды. Оның әдістері экспериментаторларға деректерді сәйкестендіруге және әртүрлі қысым режиміне экстраполяция жасауға мүмкіндік береді, бұл бұрынғы, күмәнді жарамдылығы мен дәлдігі бар құралдарды ығыстырды. Ол және оның әріптестері соқтығысу энергиясының берілуі процесі туралы деректер жинап, әрбір соқтығысу энергияның аз ғана бөлісін қамтиды деген болжамды растады. Содан кейін ол осы шамаларды негізгі теориядан есептеудің алғашқы қатаң әдісін және процестің алғашқы физикалық моделін жасады. Оның жұмысы кеңінен қолданылады, ол өтпелі күйлерді түсіну үшін де, атмосфералық және жану модельдерінде де пайдаланылады. Климаттың өзгеруін және озон қабатына тигізетін әсерді болжау осы модельдеуге тікелей байланысты.
Эмульсиялық полимерлеу
Эмульсиялық полимерлеу – бояулар, жабыстырғыштар және шина каучугі сияқты көптеген өнеркәсіптік полимерлерді жасаудың ең көп қолданылатын әдісі. Бұл бірнеше бірдей және жеке процестерді қамтитын және тарихи түрде азау деректермен сипатталатын күрделі процесс. Күрделілік және деректердің жеткіліксіздігі салдарынан, қарама-қайшы болжамдар эксперименттік нәтижелермен сәйкес келуге мәжбүр етілді, процестің дұрыс түсінігі болмады. Гилберт математикалық және тәжірибелік құралдарды жасап, қолданды, соның арқасында жеке процестердің әсерін алғаш рет оқшаулау мүмкін болды. Молекулалық реакциялардағыдай, эмульсиялық полимерлеудегі көптеген процестерді сапалық және сандық тұрғыдан түсінудің кілті – жеке қадамдардың жылдамдық коэффициенттері. Бұл қадамдар: басталу (өсетін тізбектің қаншалықты жылдам басталуы), таралу (жеке мономер бірліктерінің қаншалықты жылдам қосылуы), радикалдық жоғалу процестері (радикалдық белсенділіктің тоқтауы және ауысуы) және бөлшектердің түзілуі (нуклеация). Профессор Д. Наппермен бірге Гилберт газ фазасындағы химияда шешкен теңдеулерді эмульсиялық полимерлеу саласына қолданды. Бұл оған, бастапқыда Наппермен бірлесіп, элементар процестердің жылдамдық коэффициенттерін анықтау үшін жаңа теориялық және тәжірибелік әдістерді әзірлеуге мүмкіндік берді. Ол осы әдістерді қолдана отырып, мақсатты деректерді – реакция жылдамдықтарының уақыт бойынша өзгеруін, молекулалық салмақ пен бөлшектердің мөлшерінің таралуын алды. Бұл жүйелерге γ-сәулелендіру релаксациясы сияқты жаңа жүйелер де кірді, онда радикалдық жоғалу сияқты оқиғаларды радикалдық таралу мен өсуден бөлуге болады. Гилберттің математикалық және тәжірибелік әдістері осы қадамдарды бақылайтын негізгі факторларды анықтады, соның арқасында әрбір процесті оқшауланып зерттеуге мүмкіндік туды. Оның жетістіктері эмульсиялық полимерлеудегі кез келген процестің жылдамдық коэффициенттерін өлшеуге, қарапайым жүйелер үшін осы коэффициенттердің мәнін болжауға және жаңа өлшемдердің дұрыстығын теориялық тұрғыдан тексеруге мүмкіндік берді. Ол осы әдістерді қолданудан алынған деректерді жылдамдық коэффициенттерінің инициатор концентрациясы сияқты бақыланатын факторларға тәуелділігін анықтау үшін пайдаланды. Осылайша, ол қазіргі модельдерді сынап, жаңа тесттерді жасады, олардың кейбіреулері бұрынғы модельдерді жоққа шығарды, ал сынақтан өткен ескі модельдерді жетілдірді. Соңғы рет, микроскопиялық оқиғалар мен эксперимент арасында сәйкестікке қол жеткізілді және осы салада алғаш рет, болжамды модельдерді сенімді түрде жоққа шығару мүмкін болды. Осы деректерді пайдаланып, ол бөлшектерден радикалдардың жоғалуын анықтады, нәтижелерді қарапайым диффузиялық теориямен түсіндіруге болатынын көрсетті. Гилберт және оның әріптестері эмульсиялық полимерлендіруде радикалдардың бөлшектерге енуі арқылы басталу механизмін ашты, бұл процестің термодинамикалық және кинетикалық принциптерге сәйкес келетінін көрсетті, су фазасында беттік белсенді заттардың түзілуі арқылы түсіндірді. Бұл модель түрлі сапалық болжамдар жасады. Бір болжам – бөлшектердің мөлшері мен беттік қасиеттерінің ену жылдамдық коэффициентіне тәуелсіздігі, бұрынғы модельдердің дұрыс емес екенін көрсеткен сенімге байланысты интуицияға қайшы келді. Кейіннен бұл болжам Гилберт және басқалар жүргізген эксперименттермен расталды. Ол осы білімнен алынған түсінікті бөлшектердің түзілуі мен молекулалық салмақтың таралуының априорлық модельдерін әзірлеу үшін пайдаланды. Бұл жаңалықтар еркін радикалдар полимерлендіруінің негізгі процестерін терең түсінуге мүмкіндік берді. Таралу реакциясы үшін Гилберт халықаралық команданы жетектеп, осы процесс үшін сенімді жылдамдық коэффициенттерін алудың ұзақ уақыт бойына шешілмей келген мәселесін шешкен әдістемені жасады. Ол мономерлердің әртүрлі түрлері үшін Аррениус параметрлерінің әртүрлі мәндер кластарын алатынын көрсетті және бұл кластардың негізгі өтпелі күйлер теориясы мен кванттық механикадан сапалық және сандық түсінігін дамытты. Бұл жаңа әдістер оның мономолекулалық газ фазалы процестердегі жұмысында дамыған әдістерге негізделген. Тоқтату реакциясы үшін оның деректері мен модельдері осы процестің диффузиялық бақылаумен жүретінін сапалық және сандық тұрғыдан түсінуге әкелді. Отыз жыл бұрын эмульсиялық полимерлендіруде басым механизмдерді нақты болжау мүмкіншілігі де, сапалық түсінігі де болмаған. Механизмдер модельдік болжамдарды тәжірибелік деректермен салыстыру арқылы "дәлелденген". Деректер өрісі шектеулі болды және модельдерде көптеген реттелетін параметрлер болды, немесе параметрлердің мәндері кеңінен белгісіздікке ұшырады: кез келген модельге сәйкес келетін мәндерді таңдау мүмкін болды. Бір жүйеде әртүрлі механизмдердің басым екенін мәлімдейтін екі мақаланың табылуы да сирек емес, бұл жеке қадамдарды оқшаулау мүмкін болмағандығының салдары. Гилберттің жұмысының нәтижесінде, эмульсиялық полимерлендірудегі барлық жеке процестер, күнделікті өнімдерді жасаудың ең көп қолданылатын әдістерінің бірі, қазір сапалық және сандық тұрғыдан түсінілді. Қарапайым жүйелерді полимерлеу және таңдалған жағдайларда қалыптасатын молекулалық құрылымды болжау қазір мүмкін, ал күрделі жағдайлар үшін трендтерді жартылай сандық түрде болжауға және түсінуге болады. Осы саладағы халықаралық ғылыми және техникалық қауымдастық оның алған механизмдік білімін қазіргі процестерді түсіну және жаңа процестер мен өнімдерді жасау үшін кілт ретінде пайдаланады. Оның жұмысы осы өнеркәсіптік маңызы бар саланың ғылыми негізін нығайтты. Гилберт және басқалар осы білім мен түсінікті жаңа материалдар жасау құралдарын әзірлеу үшін пайдаланды. Бір маңызды мысал – оның жаңа буын беттік жабындарға әкелген ынтымақтастық жобасының жетекшісі ретіндегі рөлі. Ол доктор Э. Риззардоның басқарылатын радикалды полимерлендірудің фрагментациялық тізбектік трансфер (RAFT) әдісін өнеркәсіптік масштабта жүзеге асырудың алғашқы тәжірибелік құралын жасады.
Қышқыл биосинтезіндегі ферменттік процестер
Полимерлендірудегі жұмысына сүйенген жаңа зерттеулерде Гилберт Манила қаласындағы Халықаралық күріш зерттеу институтының докторы Мелисса Фицджеральдпен бірлесіп, крахмал биосинтезіне қатысқан ферменттік процестердің биохимиясын түсінудің жаңа тәсілін жасады. Ол бұл жаңа салаға синтетикалық полимерлердің молекулалық салмағының таралуын түсіну үшін жасаған әдістерін табиғи полимерлердің таралуын түсінуге қолданды. Осылайша, ол дәнді дақылдардағы крахмал биосинтезіндегі ферменттік процестерді зерттеудің тиімді жаңа әдісін құрды, сондай-ақ өте күрделі жүйелердегі қадамдарды бөліп алып, нақты механизмдік білім алуға мүмкіндік беретін әдістеме жасады. Крахмалдан тармақталуын жою арқылы талданатын әрбір ферменттік қадам, енді крахмалдың молекулалық салмағының таралуындағы нақты аймақтармен байланыстырылуы мүмкін. Бұл крахмал биохимиктері ұсынған екі қарсы механизмдік гипотезаның бірін растады.
Таңдалған жарияланымдар
"Термикалық бірмолекулалық реакциялар теориясы. II. Төмендеу диапазонындағы әлсіз соқтығысу жылдамдық тұрақтылары". RG Gilbert, K Luther, J Troe, Ber Bunsenges Phys Chem, 87, 169–77 (1982) (Химиялық реакциялардың маңызды класының қысымға тәуелділігін орнату және экстраполяциялау тәсілдері; атмосфералық және жану модельдерінде кеңінен қолданылады.) Бірмолекулалық және рекомбинациялық реакциялар теориясы. RG Gilbert, SC Smith. Оксфорд: Blackwell Scientific Publications (1990), 364 б. (Химиялық кинетикадағы маңызды процесті, соның ішінде оның көптеген жаңалықтарын сипаттайды.) "Еркін радикалдар полимерленуінің сынақтан өткен жылдамдық коэффициенттері. 1. Стиролдің таралу жылдамдық коэффициенттері". M Buback, RG Gilbert, RA Hutchinson, B Klumperman, F D Kuchta, BG Manders, KF O’Driscoll, GT Russell, J Schweer. Macromol. Chem. Phys., 196, 3267–80 (1995) (авторлар әліпбилік тәртіппен) (Гилберт құрған және басқарған IUPAC жұмыс тобының бірнеше мақаласының бірі, ол қазір полимер өсу жылдамдығын бақылайтын таралу жылдамдық коэффициентін өлшеу үшін кеңінен қолданылатын техниканың сенімділік критерийлерін белгіледі.) "Эмульсиялық полимерленуде латекс бөлшектеріне еркін радикалдардың енуі". IA Maxwell, BR Morrison, DH Napper, RG Gilbert, Macromolecules, 24, 1629–40 (1991) (Бұл маңызды өнеркәсіптік процестегі маңызды процестің механизмін ашу.) Эмульсиялық полимерлену: механикалық тәсіл. RG Gilbert. Лондон: Academic Press (1995), 362 б. (Осы маңызды өнеркәсіптік процестің негізгі механизмдері, соның ішінде оның көптеген жаңалықтары.) "Еркін радикалдар полимерленуіндегі молекулалық салмақ үлестірілімдері. Тізбек ұзындығына байланысты тоқтату әсерін түсіну". PA Clay, RG Gilbert. Macromolecules, 28, 552–69 (1995) (Микроскопиялық оқиғалар осы кеңінен қолданылатын процесте қасиеттердің маңызды детерминантын қалай анықтайды.) "Еркін радикалдар полимерленуінде таралу жылдамдық коэффициенттерін априорлық болжау: этиленнің таралуы". JPA Heuts, RG Gilbert, L Radom. Macromolecules, 28, 8771–81 (1995) (Полимер өсу жылдамдығы коэффициенттерінің шамаларын негізгі кванттық механика тұрғысынан қалай түсінуге болады.) "Бутил акрилат үшін таралу жылдамдық коэффициентін импульстік лазерлік полимерлену арқылы өлшеу". RA Lyons, J Hutovic, MC Piton, DI Christie, PA Clay, BG Manders, SH Kable, RG Gilbert. Macromolecules, 29, 1918–27 (1996) (Көп қолданылатын мономер үшін таралу жылдамдық коэффициентін алғашқы рет өлшеу, оның бұрынғыдан 100 есе жылдам екенін көрсету; қазір кейбір өндірістік процестерді жақсарту үшін қолданылады.) "RAFT бақылауымен тиімді ab initio эмульсиялық полимерлену". CJ Ferguson, RJ Hughes, BTT Pham, BS Hawkett, RG Gilbert, AK Serelis, CH Such. Macromolecules, 35, 9243–45 (2002) (Полимерлерді жасаудың жаңа әдісін ең көп таралған өнеркәсіптік өндіріс процесінде қалай жүзеге асыруға болады; жақын арада нарыққа шығатын бояулардың жаңа буынының негізі.) "Шөптің молекулалық салмағы бойынша үлестірілімді талдаудан алынған механикалық ақпарат". JV Castro, C Dumas, H Chiou, MA Fitzgerald, RG Gilbert, Biomacromolecules, 6, 2248–59 (2005) (Шөптің молекулалық салмағы туралы деректерді биосинтетикалық жолдар мен құрылым-қасиет байланыстарын анықтау үшін қалай пайдалануға болады.)
(How the pressure dependence of a major class of chemical reactions can be fitted and extrapolated; widely used in atmospheric and combustion modelling.) Theory of unimolecular and recombination reactions. RG Gilbert, SC Smith. Oxford: Blackwell Scientific Publications (1990), 364 pp
(Set out a major process in chemical kinetics, including many of his discoveries.) "Critically evaluated rate coefficients for free radical polymerization. 1. Propagation rate coefficients for styrene". M Buback, RG Gilbert, RA Hutchinson, B Klumperman, F D Kuchta, BG Manders, KF O’Driscoll, GT Russell, J Schweer. Macromol. Chem. Phys., 196, 3267–80 (1995) (authors in alphabetical order)
(One of a series of papers from an IUPAC Working Party that Gilbert created and led, which established reliability criteria for what is now a widely used technique for measuring the propagation rate coefficient that controls the speed of polymer growth.) "The entry of free radicals into latex particles in emulsion polymerization". IA Maxwell, BR Morrison, DH Napper, RG Gilbert, Macromolecules, 24, 1629–40 (1991)
(Discovery of the mechanism of an important process in this major industrial process.) Emulsion polymerization: a mechanistic approach. RG Gilbert. London: Academic Press (1995), 362pp
(Basic mechanisms in this major industrial process, including many of his discoveries.) "Molecular weight distributions in free radical polymerizations. Understanding the effects of chain length dependent termination". PA Clay, RG Gilbert. Macromolecules, 28, 552–69 (1995)
(How microscopic events govern a major determinant of properties in this widely used process.) "A priori prediction of propagation rate coefficients in free radical polymerizations: propagation of ethylene". JPA Heuts, RG Gilbert, L Radom. Macromolecules, 28, 8771–81 (1995)
(How the sizes of rate coefficients for polymer growth can be understood in terms of basic quantum mechanics.) "Pulsed laser polymerization measurements of the propagation rate coefficient for butyl acrylate". RA Lyons, J Hutovic, MC Piton, DI Christie, PA Clay, BG Manders, SH Kable, RG Gilbert. Macromolecules, 29, 1918–27 (1996)
(The first measure of the propagation rate coefficient for a widely used monomer, showing that it is 100 times faster than previously assumed; now used for the improved design of certain manufacturing processes.) "Effective ab initio emulsion polymerization under RAFT control". CJ Ferguson, RJ Hughes, BTT Pham, BS Hawkett, RG Gilbert, AK Serelis, CH Such. Macromolecules, 35, 9243–45 (2002)
(How a new technique of making polymers can be implemented in the commonest industrial manufacturing process; the basis of a new generation of paints soon to be on the market.) "Mechanistic information from analysis of molecular weight distributions of starch". JV Castro, C Dumas, H Chiou, MA Fitzgerald, RG Gilbert, Biomacromolecules, 6, 2248–59 (2005)
(How molecular weight data on starch can be plotted to reveal biosynthetic pathways and structure–property relations.)
Патенттер
CJ Ferguson, RJ Hughes, BTT Pham, BS Hawkett, RG Gilbert, AK Serelis, CH Such. Полимер бөлшектерінің сулы дисперсиясы. PCT/AU02/01735 (2002)
S Peach, BR Morrison, RG Gilbert. Ұсақ дисперсті полимер дисперсиялары, олардың өндірісі және қолданылуы. Германдық патенттік жарияланым DE 19929395 (2000)
N Subramaniam, R Balic, RG Gilbert. Өзгертілген резеңке полимерлік латексі. PCT/AU98/00191 (1998)
D Kukulj, TP Davis, RG Gilbert. Миниемульсия жағдайындағы полимерлену реакциялары. PCT PN6696 (1997)
S Peach, BR Morrison, RG Gilbert. Finely divided polymer dispersions, their production and use. Ger. Offen. DE 19929395 (2000)
N Subramaniam, R Balic, RG Gilbert. Modified rubber polymer latex. PCT/AU98/00191 (1998)
D Kukulj, TP Davis, RG Gilbert. Polymerization reactions under miniemulsion conditions. PCT PN6696 (1997)