البوليمر الإلكتروليتي

البوليمرات الإلكتروليتية هي بوليمرات تحتوي وحداتها المتكررة على مجموعة إلكتروليتية . البوليمرات الموجبة والبوليمرات السالبة هي بوليمرات إلكتروليتية. تتفكك هذه المجموعات في المحاليل المائية (الماء)، مما يجعل البوليمرات مشحونة . وبالتالي، فإن خصائص البوليمرات الإلكتروليتية مشابهة لكل من الإلكتروليتات ( الأملاح ) والبوليمرات ( مركبات ذات وزن جزيئي عالٍ )، وتُسمى أحيانًا بالأملاح المتعددة . ومثل الأملاح، فإن محاليلها موصلة للكهرباء. ومثل البوليمرات، غالبًا ما تكون محاليلها لزجة . تلعب السلاسل الجزيئية المشحونة، الشائعة في أنظمة المواد اللينة، دورًا أساسيًا في تحديد بنية واستقرار وتفاعلات التجمعات الجزيئية المختلفة. تختلف المناهج النظرية ^{[ 1 ] [ 2 ]} لوصف خصائصها الإحصائية اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بنظيراتها المتعادلة كهربائيًا، بينما تستغل المجالات التكنولوجية والصناعية خصائصها الفريدة. العديد من الجزيئات البيولوجية هي بوليمرات إلكتروليتية. على سبيل المثال، الببتيدات المتعددة ، والجليكوزامينوجليكان ، والحمض النووي DNA هي بوليمرات إلكتروليتية. تُستخدم البوليمرات الإلكتروليتية الطبيعية والاصطناعية في مجموعة متنوعة من الصناعات.

تُصنّف الأحماض إلى ضعيفة وقوية ( وكذلك القواعد ). وبالمثل، يمكن تقسيم البوليمرات الإلكتروليتية إلى نوعين: "ضعيفة" و"قوية". يتفكك البوليمر الإلكتروليتي "القوي" كليًا في المحلول عند معظم قيم الأس الهيدروجيني المعقولة . أما البوليمر الإلكتروليتي " الضعيف"، في المقابل، فيمتلك ثابت تفكك (pKa أو pKb) يتراوح بين 2 و10 تقريبًا، مما يعني أنه سيتفكك جزئيًا عند قيم الأس الهيدروجيني المتوسطة. وبالتالي، لا تكون البوليمرات الإلكتروليتية الضعيفة مشحونة بالكامل في المحلول، كما يمكن تعديل شحنتها الجزئية بتغيير الأس الهيدروجيني للمحلول، أو تركيز الأيونات المضادة، أو القوة الأيونية.

تتأثر الخصائص الفيزيائية لمحاليل البوليمرات الإلكتروليتية عادةً بدرجة تأينها. وبما أن تفكك البوليمر الإلكتروليتي يُطلق أيونات معاكسة، فإن ذلك يؤثر بالضرورة على القوة الأيونية للمحلول ، وبالتالي على طول ديباي . وهذا بدوره يؤثر على خصائص أخرى، مثل التوصيل الكهربائي .

عند مزج محاليل بوليمرين ذوي شحنات متعاكسة (أي محلول بولي كاتيون وآخر بولي أنيون )، يتشكل عادةً مركب ضخم ( راسب ). يحدث هذا لأن البوليمرات ذات الشحنات المتعاكسة تتجاذب وترتبط ببعضها.

يتأثر شكل أي بوليمر بعدة عوامل، أبرزها بنية البوليمر وميله للمذيب. وفي حالة البوليمرات الإلكتروليتية، تؤثر الشحنة أيضًا. فبينما توجد سلسلة البوليمر الخطية غير المشحونة عادةً في شكل عشوائي في المحلول (يقارب إلى حد كبير حركة عشوائية ثلاثية الأبعاد ذاتية التجنب )، فإن الشحنات على سلسلة البوليمر الإلكتروليتي الخطية تتنافر بفعل قوى الطبقة المزدوجة ، مما يجعل السلسلة تتخذ شكلًا أكثر تمددًا يشبه القضيب الصلب. وتُحجب الشحنات إذا احتوى المحلول على كمية كبيرة من الملح المضاف. ونتيجة لذلك، تنهار سلسلة البوليمر الإلكتروليتي إلى شكل أكثر تقليدية (مطابق تقريبًا لسلسلة متعادلة في مذيب جيد ).

يؤثر شكل البوليمر على العديد من خصائصه الكلية (مثل اللزوجة ، والتعكر ، وغيرها). ورغم إمكانية تمثيل الشكل الإحصائي للبوليمرات الإلكتروليتية باستخدام صيغ مختلفة من نظرية البوليمرات التقليدية، إلا أن نمذجة سلاسل البوليمرات الإلكتروليتية بدقة تتطلب عمومًا موارد حاسوبية كبيرة، نظرًا لطبيعة التفاعل الكهروستاتيكي بعيد المدى. ويمكن استخدام تقنيات مثل تشتت الضوء الساكن لدراسة شكل البوليمرات الإلكتروليتية وتغيراتها.

تُسمى البوليمرات الإلكتروليتية التي تحمل مجموعات متكررة كاتيونية وأنيونية بالبوليمرات الأمفوليتية . ويؤدي التنافس بين توازنات الحموضة والقلوية لهذه المجموعات إلى تعقيدات إضافية في سلوكها الفيزيائي. عادةً ما تذوب هذه البوليمرات فقط عند إضافة كمية كافية من الملح لحجب التفاعلات بين الأجزاء ذات الشحنات المتعاكسة. في حالة الهيدروجيلات الأمفوتيرية ذات المسام الكبيرة، لا يؤدي تأثير محلول الملح المركز إلى ذوبان مادة البوليمر الأمفوليتي نظرًا للترابط التساهمي بين الجزيئات الكبيرة. تُظهر الهيدروجيلات الاصطناعية ثلاثية الأبعاد ذات المسام الكبيرة قدرةً فائقة على امتصاص أيونات المعادن الثقيلة في نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني من محاليل مائية مخففة للغاية، والتي يمكن استخدامها لاحقًا كمادة ماصة لتنقية المياه المالحة ^{[ 5 ] [ 6 ]} . جميع البروتينات هي بوليمرات أمفوليتية، حيث تميل بعض الأحماض الأمينية إلى أن تكون حمضية، بينما يميل البعض الآخر إلى أن يكون قاعديًا.

تُستخدم البوليمرات الإلكتروليتية في العديد من التطبيقات، لا سيما في تعديل خصائص التدفق والاستقرار للمحاليل المائية والهلاميات . فعلى سبيل المثال، يمكن استخدامها لزعزعة استقرار المعلقات الغروية وتحفيز عملية التلبد (الترسيب). كما يمكن استخدامها لإضفاء شحنة سطحية على الجسيمات المتعادلة، مما يُسهّل تشتيتها في المحاليل المائية. ولذلك ، تُستخدم غالبًا كمُكثّفات ، ومستحلبات ، ومُحسّنات ، وعوامل تصفية ، وحتى مُخفّضات للاحتكاك . وتُستخدم أيضًا في معالجة المياه واستخراج النفط . يدخل البوليمر الإلكتروليتي في تركيب العديد من أنواع الصابون والشامبو ومستحضرات التجميل . علاوة على ذلك، يُضاف إلى العديد من الأطعمة ومخاليط الخرسانة ( كمُلدّن فائق ). ومن بين البوليمرات الإلكتروليتية التي تظهر على ملصقات الأطعمة: البكتين ، والكاراجينان ، والألجينات ، وكربوكسي ميثيل السليلوز . جميعها، باستثناء الأخير، من أصل طبيعي. وأخيرًا، تُستخدم في مواد متنوعة، بما في ذلك الأسمنت .

نظرًا لأن بعضها قابل للذوبان في الماء، فإنه يُجرى البحث فيها أيضًا لتطبيقات بيوكيميائية وطبية. وتُجرى حاليًا أبحاث مكثفة حول استخدام البوليمرات الإلكتروليتية المتوافقة حيويًا في طلاءات الزرعات ، وإطلاق الأدوية المُتحكم به، وغيرها من التطبيقات. وفي الآونة الأخيرة، وُصفت مادة كبيرة المسام متوافقة حيويًا وقابلة للتحلل الحيوي، مُكوّنة من مُركّب بوليمر إلكتروليتي، حيث أظهرت هذه المادة قدرةً فائقة على تكاثر خلايا الثدييات ^{[ 7 ]} ، بالإضافة إلى خصائص مُشغّلات لينة تُشبه العضلات.

استُخدمت البوليمرات الإلكتروليتية في تكوين أنواع جديدة من المواد تُعرف باسم طبقات البوليمرات الإلكتروليتية المتعددة ( PEMs ). تُصنع هذه الأغشية الرقيقة باستخدام تقنية الترسيب طبقة تلو الأخرى ( LbL ). خلال عملية الترسيب هذه، يُغمر سطح نمو مناسب (عادةً ما يكون مشحونًا) ذهابًا وإيابًا بين أحواض مخففة من محاليل البوليمرات الإلكتروليتية المشحونة إيجابًا وسلبًا. في كل غمرة، تُمتص كمية صغيرة من البوليمر الإلكتروليتي، وتنعكس شحنة السطح، مما يسمح بالتراكم التدريجي والمتحكم فيه لأغشية متصالبة كهروستاتيكيًا من طبقات البوليكاتيون-البوليأنيون. وقد أثبت العلماء إمكانية التحكم في سُمك هذه الأغشية وصولًا إلى مقياس النانومتر الواحد. يمكن أيضًا تصنيع أغشية LbL عن طريق استبدال أنواع مشحونة، مثل الجسيمات النانوية أو صفائح الطين ^{[ 8 ]،} بأحد البوليمرات الإلكتروليتية أو بالإضافة إليها. كما تم تحقيق الترسيب بتقنية LbL باستخدام الروابط الهيدروجينية بدلًا من الكهروستاتيكية . لمزيد من المعلومات حول إنشاء الطبقات المتعددة، يرجى الاطلاع على امتزاز البوليمرات الإلكتروليتية .

يُظهر الشكل عملية تكوين طبقة رقيقة من غشاء البوليمر (PSS-PAH (بولي (أليلامين) هيدروكلوريد)) على ركيزة ذهبية. وقد تم قياس هذه العملية باستخدام تقنية رنين البلازمون السطحي متعدد المعايير لتحديد حركية الامتزاز، وسُمك الطبقة، والكثافة الضوئية. ^{[ 9 ]}

تتمثل الفوائد الرئيسية لطلاءات PEM في القدرة على طلاء الأشياء بشكل متوافق (أي أن التقنية لا تقتصر على طلاء الأشياء المسطحة)، والفوائد البيئية لاستخدام العمليات المائية، والتكاليف المعقولة، والاستفادة من الخصائص الكيميائية الخاصة للفيلم لإجراء تعديلات إضافية، مثل تركيب الجسيمات النانوية المعدنية أو شبه الموصلة ، أو تحولات طور المسامية لإنشاء طلاءات مضادة للانعكاس ، ومصاريع بصرية ، وطلاءات فائقة الكراهية للماء .

عند إضافة سلاسل البوليمرات الإلكتروليتية إلى نظام من الأيونات الكبيرة المشحونة (مثل مجموعة من جزيئات الحمض النووي DNA)، قد تحدث ظاهرة مثيرة للاهتمام تُعرف باسم التجسير البوليمري الإلكتروليتي . ^{[ 10 ]} يُستخدم مصطلح تفاعلات التجسير عادةً لوصف الحالة التي يمكن فيها لسلسلة واحدة من البوليمرات الإلكتروليتية أن ترتبط بأيونين كبيرين (أو أكثر) مشحونين بشحنات متعاكسة (مثل جزيء الحمض النووي DNA)، مما يُنشئ جسورًا جزيئية، ومن خلال اتصالها، تُسهّل التفاعلات الجاذبة بينهما.

عند المسافات الصغيرة بين الجزيئات الكبيرة، تنضغط السلسلة بين هذه الجزيئات، وتطغى التأثيرات الفراغية تمامًا على التأثيرات الكهروستاتيكية في النظام، ما يؤدي إلى تفريغ النظام فعليًا. ومع زيادة المسافة بين الجزيئات الكبيرة، يزداد تمدد سلسلة البوليمر الإلكتروليتي الممتصة عليها. ويؤدي تمدد السلسلة إلى ظهور التفاعلات الجاذبة المذكورة آنفًا، نظرًا لمرونة السلسلة المطاطية .

بسبب ترابطها، فإن سلوك سلسلة البوليمرات الإلكتروليتية لا يشبه تقريبًا سلوك الأيونات المحصورة وغير المتصلة.

في مصطلحات البوليمرات ، يُعرف البولي أسيد بأنه بوليمر إلكتروليتي يتكون من جزيئات ضخمة تحتوي على ^{مجموعات حمضية} في جزء كبير من وحداته البنائية . وتكون المجموعات الحمضية في أغلب الأحيان –COOH أو –SO3H أو _{–PO3H2 .} ^[ ₁₁ ]

• التشتت
• راتنج التبادل الأيوني
• أملاح البوليبيريدينيوم

• معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات، ماينز، ألمانيا
• البوليمرات الإلكتروليتية: معهد الكيمياء الفيزيائية والنظرية، جامعة ريغنسبورغ، ريغنسبورغ، ألمانيا
• البوليمرات الإلكتروليتية: فادودارا، غوجارات، الهند