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.

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.