كيمياء البوليمرات

كيمياء البوليمرات هي فرع من فروع الكيمياء يركز على بنية البوليمرات والجزيئات الكبيرة ، وتخليقها الكيميائي ، وخصائصها الكيميائية والفيزيائية . وتُطبَّق المبادئ والأساليب المستخدمة في كيمياء البوليمرات على نطاق واسع في فروع أخرى من الكيمياء، مثل الكيمياء العضوية ، والكيمياء التحليلية ، والكيمياء الفيزيائية . تتميز العديد من المواد ببنية بوليمرية، بدءًا من المعادن والسيراميك غير العضوية بالكامل، وصولًا إلى الحمض النووي (DNA) والجزيئات البيولوجية الأخرى . ومع ذلك، ترتبط كيمياء البوليمرات عادةً بالتركيبات الاصطناعية والعضوية . وتنتشر البوليمرات الاصطناعية في المواد والمنتجات التجارية المستخدمة يوميًا، مثل البلاستيك والمطاط ، كما أنها تُعدّ مكونات رئيسية للمواد المركبة . ويمكن أيضًا إدراج كيمياء البوليمرات ضمن مجالات أوسع، مثل علم البوليمرات أو حتى تقنية النانو ، وكلاهما يشمل فيزياء البوليمرات وهندسة البوليمرات . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

أدى عمل هنري براكونو عام 1777 وعمل كريستيان شونباين عام 1846 إلى اكتشاف نيتروسليلوز ، الذي ينتج عنه السيلولويد عند معالجته بالكافور . وعند إذابته في الإيثر أو الأسيتون ، يتحول إلى الكولوديون ، الذي استُخدم كضماد للجروح منذ الحرب الأهلية الأمريكية . أُعدّ أسيتات السليلوز لأول مرة عام 1865. وفي الفترة ما بين عامي 1834 و1844، وُجد أن خصائص المطاط ( البولي إيزوبرين ) تتحسن بشكل كبير بالتسخين مع الكبريت ، مما أسس لعملية الفلكنة .

في عام 1884، أنشأ هيلير دي شاردونيه أول مصنع للألياف الاصطناعية يعتمد على السليلوز المُجدد ، أو حرير الفسكوز ، كبديل للحرير ، إلا أنه كان شديد الاشتعال. ^{[ 5 ]} وفي عام 1907، اخترع ليو بايكلاند أول بوليمر مُصنّع بشكل مستقل عن نواتج الكائنات الحية ، وهو راتنج فينول - فورمالديهايد مُتصلد حراريًا يُسمى الباكليت . وفي نفس الفترة تقريبًا، أبلغ هيرمان لويش عن تخليق أنهيدريدات N-كربوكسي الأحماض الأمينية ومنتجاتها ذات الوزن الجزيئي العالي عند تفاعلها مع النيوكليوفيلات، لكنه لم يُشر إليها صراحةً على أنها بوليمرات، ربما بسبب الآراء القوية التي تبناها إميل فيشر ، مُشرفه المُباشر، والتي نفت إمكانية وجود أي جزيء تساهمي يتجاوز 6000 دالتون. ^{[ 6 ]} وفي عام 1908، اخترع جوك براندنبرغر السيلوفان، الذي عالج صفائح من حرير الفسكوز بالحمض . ^{[ 7 ]}

• شخصيات بارزة في كيمياء البوليمرات
• 
  هيرمان ستودينجر ، أبو كيمياء البوليمرات
• 
  والاس كاروثرز ، مخترع النايلون.
• 
  ستيفاني كووليك ، مخترعة الكيفلار .

اقترح الكيميائي هيرمان شتاودينغر لأول مرة أن البوليمرات تتكون من سلاسل طويلة من الذرات المرتبطة بروابط تساهمية ، والتي أطلق عليها اسم الجزيئات الكبيرة . وقد وسّع عمله الفهم الكيميائي للبوليمرات، وتلاه توسع في مجال كيمياء البوليمرات، حيث تم خلاله ابتكار مواد بوليمرية مثل النيوبرين والنايلون والبوليستر. قبل شتاودينغر، كان يُعتقد أن البوليمرات عبارة عن تجمعات من جزيئات صغيرة ( غرويات )، بدون أوزان جزيئية محددة ، مرتبطة ببعضها البعض بقوة غير معروفة . حصل شتاودينغر على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1953. اخترع والاس كاروثرز أول مطاط صناعي يُسمى النيوبرين عام 1931، وأول بوليستر ، ثم اخترع النايلون ، البديل الحقيقي للحرير، عام 1935. مُنح بول فلوري جائزة نوبل في الكيمياء عام 1974 لعمله على تكوينات اللفائف العشوائية للبوليمرات في المحلول في خمسينيات القرن العشرين. طوّرت ستيفاني كوليك نوعًا من الأراميد ، أو النايلون العطري ، أطلقوا عليه اسم كيفلار ، وحصلوا على براءة اختراعه عام 1966. ونال كارل زيغلر وجوليو ناتا جائزة نوبل لاكتشافهما محفزات بلمرة الألكينات . كما مُنح آلان ج. هيغر ، وآلان ماكديارميد ، وهيديكي شيراكاوا جائزة نوبل في الكيمياء عام 2000 لتطويرهم البولي أسيتيلين والبوليمرات الموصلة ذات الصلة. ^{[ 8 ]} لم يجد البولي أسيتيلين تطبيقات عملية بحد ذاته، لكن برزت الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) كأحد تطبيقات البوليمرات الموصلة. ^{[ 9 ]}

بدأت برامج التدريس والبحث في كيمياء البوليمرات في أربعينيات القرن العشرين. تأسس معهد كيمياء الجزيئات الكبيرة عام 1940 في فرايبورغ بألمانيا تحت إشراف شتاودينغر. وفي أمريكا، أنشأ هيرمان مارك معهد أبحاث البوليمرات (PRI) عام 1941 في معهد بروكلين للفنون التطبيقية (الذي يُعرف الآن باسم معهد نيويورك للفنون التطبيقية ).

البوليمرات مركبات ذات كتلة جزيئية عالية تتكون من بلمرة المونومرات . تُصنّع البوليمرات بعملية البلمرة ، ويمكن تعديلها بإضافة المونومرات. تُغيّر إضافات المونومرات الخواص الميكانيكية للبوليمرات، وقابليتها للمعالجة، ومتانتها، وغيرها. يُطلق على الجزيء التفاعلي البسيط الذي تُشتق منه الوحدات البنائية المتكررة للبوليمر اسم المونومر. يمكن وصف البوليمر بعدة طرق: درجة بلمرته ، وتوزيع كتلته المولية ، وتكتيكيته ، وتوزيع البوليمرات المشتركة ، ودرجة تفرعه ، ومجموعاته الطرفية ، وروابطه المتشابكة ، وبلوريته ، وخواصه الحرارية مثل درجة حرارة التحول الزجاجي ودرجة حرارة الانصهار. تتميز البوليمرات في المحلول بخصائص خاصة فيما يتعلق بالذوبانية واللزوجة والتجلط . ولتوضيح الجوانب الكمية لكيمياء البوليمرات، يُولى اهتمام خاص للوزن الجزيئي المتوسط ​​العددي والوزن الجزيئي المتوسط ​​الوزني .${\displaystyle M_{n}}$و${\displaystyle M_{w}}$، على التوالى.

${\displaystyle M_{n}={\frac {\sum M_{i}N_{i}}{\sum N_{i}}},\quad M_{w}={\frac {\sum M_{i}^{2}N_{i}}{\sum M_{i}N_{i}}},\quad }$

تم تفسير تكوين وخصائص البوليمرات من خلال العديد من النظريات بما في ذلك نظرية شوتجينز-فلير ، ونظرية محلول فلوري-هوجينز ، وآلية كوسيه-أرلمان ، ونظرية مجال البوليمر ، ونظرية هوفمان للتنوي ، ونظرية فلوري-ستوكمير ، وغيرها الكثير.

تُسهم دراسة الديناميكا الحرارية للبوليمرات في تحسين خصائص المواد المختلفة القائمة على البوليمرات، مثل البوليسترين (الستايروفوم) والبولي كربونات . وتشمل التحسينات الشائعة زيادة المتانة ، وتحسين مقاومة الصدمات ، وتحسين قابلية التحلل البيولوجي ، وتغيير قابلية ذوبان المادة . ^{[ 10 ]}

اللزوجة

مع ازدياد طول البوليمرات وارتفاع وزنها الجزيئي، تميل لزوجتها إلى الزيادة. لذا، يمكن أن توفر قياسات لزوجة البوليمرات معلومات قيّمة حول متوسط ​​طول البوليمر، وسير التفاعلات، واتجاهات تفرع البوليمر. ^{[ 11 ]}

يمكن تصنيف البوليمرات بطرق عديدة. وبالمعنى الدقيق، تُشكل البوليمرات معظم المواد الصلبة: فالمعادن (أي معظم قشرة الأرض) هي في الغالب بوليمرات، والفلزات هي بوليمرات ثلاثية الأبعاد، والكائنات الحية، الحية منها والميتة، تتكون في الغالب من البوليمرات والماء. وغالباً ما تُصنف البوليمرات وفقاً لأصلها.

• البوليمرات الحيوية
• البوليمرات الاصطناعية
• البوليمرات غير العضوية

البوليمرات الحيوية هي المواد البنائية والوظيفية التي تُشكل معظم المادة العضوية في الكائنات الحية. ومن أهم فئات البوليمرات الحيوية البروتينات ، المشتقة من الأحماض الأمينية . أما السكريات المتعددة ، مثل السليلوز والكيتين والنشا ، فهي بوليمرات حيوية مشتقة من السكريات. بينما تُشتق الأحماض النووية المتعددة، الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA)، من سكريات مُفسفرة ذات نيوكليوتيدات مُتدلية تحمل المعلومات الوراثية.

البوليمرات الاصطناعية هي المواد الهيكلية التي تدخل في صناعة البلاستيك ، والألياف الاصطناعية ، والدهانات ، ومواد البناء ، والأثاث ، والأجزاء الميكانيكية، والمواد اللاصقة . ويمكن تقسيم البوليمرات الاصطناعية إلى بوليمرات حرارية وبوليمرات متصلبة حرارياً . تشمل البوليمرات الحرارية البولي إيثيلين ، والتفلون ، والبوليسترين ، والبولي بروبيلين ، والبوليستر ، والبولي يوريثان ، وبولي (ميثيل ميثاكريلات) ، وبولي فينيل كلوريد ، والنايلون ، والرايون . أما البوليمرات المتصلبة حرارياً فتشمل المطاط المُفلكن ، والباكليت ، والكيفلار ، والبولي إيبوكسيد . وتُشتق جميع البوليمرات الاصطناعية تقريباً من مشتقات البتروكيماويات .

• بوليمر
• علم البوليمرات
• فيزياء البوليمرات
• كيمياء
• طوبولوجيا البوليمر