Введение
Физика полимеров – это область физики, изучающая полимеры, их флуктуации, механические свойства, а также кинетику реакций, связанных с деградацией и полимеризацией полимеров и мономеров соответственно. Хотя она рассматривается с точки зрения физики конденсированного состояния, физика полимеров изначально является разделом статистической физики. Физика и химия полимеров также тесно связаны с наукой о полимерах, где они рассматриваются как прикладная часть полимерных исследований. Полимеры – это крупные молекулы, и поэтому их сложно решать детерминированными методами. Однако статистические подходы могут давать результаты и часто применимы, поскольку большие полимеры (то есть полимеры, состоящие из множества мономеров) эффективно описываются в термодинамическом пределе, при бесконечном числе мономеров (хотя реальный размер, конечно, конечен). Тепловые флуктуации непрерывно влияют на форму полимеров в жидких растворах, и моделирование этого влияния требует применения принципов статистической механики и динамики. Следовательно, температура оказывает сильное влияние на физическое поведение полимеров в растворе, вызывая фазовые переходы, плавление и другие явления. Статистический подход в физике полимеров основан на аналогии между полимером и либо броуновским движением, либо другим типом случайного блуждания – самоизбегающим блужданием. Самая простая модель полимера – идеальная цепь, соответствующая простому случайному блужданию. Для характеристики полимеров широко используются экспериментальные методы, такие как гель-проникающая хроматография, вискометрия, динамическое рассеяние света и автоматический непрерывный онлайн-мониторинг полимеризации (ACOMP) для определения химических, физических и материальных свойств полимеров. Эти экспериментальные методы также способствовали математическому моделированию полимеров и лучшему пониманию их свойств. Флори считается первым ученым, заложившим основы физики полимеров. Дои и Эдвардс написали широко известную книгу по физике полимеров.
Модели
Модели полимерных цепей разделяются на два типа: "идеальные" и "реальные" модели. Идеальные модели цепей предполагают отсутствие взаимодействий между звеньями цепи. Это предположение справедливо для определенных полимерных систем, в которых положительные и отрицательные взаимодействия между звеньями эффективно компенсируют друг друга. Идеальные модели цепей служат хорошей отправной точкой для изучения более сложных систем и лучше подходят для уравнений с большим числом параметров.
Идеальные цепи
Свободно соединенная цепь – это простейшая модель полимера. В этой модели сегменты полимера фиксированной длины соединены линейно, а все углы валентности и торсионные углы равновероятны. Следовательно, полимер можно описать как простую случайную ходьбу и идеальную цепь. Модель может быть расширена для включения растяжимых сегментов с целью представления растяжения связей. Свободно вращающаяся цепь улучшает модель свободно соединенных цепей, учитывая, что сегменты полимера образуют фиксированный угол валентности с соседними звеньями из-за специфической химической связи. При этом фиксированном угле сегменты все еще могут свободно вращаться, и все торсионные углы равновероятны. Модель затрудненного вращения предполагает, что вращение вокруг торсионного угла затруднено потенциальной энергией. Это делает вероятность каждого торсионного угла пропорциональной множителю Больцмана: , где – потенциал, определяющий вероятность каждого значения . В модели вращательно-изомерного состояния допустимые торсионные углы определяются положением минимумов в потенциальной энергии вращения. Длины связей и углы валентности остаются постоянными. Цепь типа «червь» – более сложная модель, учитывающая длину персистентности. Полимеры не являются полностью гибкими; для их изгиба требуется энергия. В масштабе длин, меньшем длины персистентности, полимер ведет себя более или менее как жесткий стержень.
, where is the potential determining the probability of each value of
In the rotational isomeric state model, the allowed torsion angles are determined by the positions of the minima in the rotational potential energy. Bond lengths and bond angles are constant. The Worm like chain is a more complex model. It takes the persistence length into account. Polymers are not completely flexible; bending them requires energy. At the length scale below persistence length, the polymer behaves more or less like a rigid rod.
Настоящие цепи
Взаимодействие между мономерами цепи можно моделировать как исключенный объем. Это приводит к сокращению числа конформационных возможностей цепи и формированию самоизбегающей случайной ходьбы. Самоизбегающие случайные ходьбы имеют статистические характеристики, отличные от характеристик простой случайной ходьбы.
Взаимодействие объема исключено
Идеальная модель цепи предполагает, что сегменты полимера могут перекрываться друг с другом, как если бы цепь была цепью-фантомом. В действительности, два сегмента не могут занимать одно и то же пространство одновременно. Это взаимодействие между сегментами называется взаимодействием исключенного объема. Простейшая формулировка исключенного объема – это самоизбегающая случайная ходьба, случайная ходьба, которая не может повторять пройденный путь. Траектория этой ходьбы из N шагов в трех измерениях представляет собой конформацию полимера с учетом взаимодействия исключенного объема. Из-за самоизбегающей природы этой модели число возможных конформаций значительно сокращается. Радиус гирации обычно больше, чем у идеальной цепи.
Пример модели (простая случайная ходьба, свободно соединенная)
Изучение длинноцепочечных полимеров было источником проблем в области статистической механики с примерно 1950-х годов. Однако одной из причин, побудивших ученых к их изучению, является то, что уравнения, описывающие поведение полимерной цепи, не зависят от химического состава цепи. Более того, основное уравнение оказывается случайным блужданием, или диффузионным блужданием, в пространстве. Фактически, уравнение Шрёдингера само по себе является уравнением диффузии в мнимом времени, t' = it.