Конструкции из полимерных материалов. Часть вторая.
Изучение полимеров с помощью различных физических методов и в первую очередь прямое наблюдение в электронном микроскопе позволило проникнуть в тайну их сложного строения. Было обнаружено, что молекулярные цепочки в полимере имеют тенденцию собираться в пачки фибриллы. Каждая пачка содержит от нескольких десятков до нескольких тысяч параллельно ориентированных длинных молекул.
Порядок в укладке молекул внутри каждой пачки может быть различным. Если схематически изобразить поперечный разрез пачки, то сечение отдельной цепи можно приблизительно представить в виде эллипса. Предельным случаем упорядоченности внутри пачки будет такой, когда центры эллипсов (оси цепей) образуют правильную решетку, а все эллипсы правильно ориентированы по отношению друг к другу. Этот случай и соответствует состоянию полимерной пачки. (К слову подумалось, а можно ли было с помощью конструкций из полимерных материалов сделать, например, постельное белье, или еще нечто в этом роде?)
Полимерные материалы, которые строятся из таких высокоупорядоченных пачек, называются кристаллическими. Такую структуру имеет, например, полиэтилен. Обычно высокая упорядоченность не сохраняется по всей длине пачки. Хорошо упорядоченные кристаллические области чередуются с областями относительно худшего порядка. Именно присутствие в материале менее упорядоченных областей придает ему повышенную упругость, сочетающуюся с достаточной твердостью, обусловливаемой кристаллическими областями. Размеры отдельных кристаллических областей очень малы и, как правило, колеблются от одной миллионной до одной стотысячной доли сантиметра. В куске кристаллического полимера кристаллические области могут быть ориентированы в самых различных направлениях. В этом смысле они подобны мелким кристалическим зернам, из которых состоит кусок металла. Если строение отдельных полимерных цепей таково, что внутри пачки цепей кристаллическая упорядоченность вообще не может возникнуть, то полимерное вещество, построенное из этих пачек, называют аморфным. Именно такая структура характерна, например, для органических стекол.
Каждая линия здесь соответствует отдельной полимерной молекуле, которая в пределах пачки сохраняет своих боковых соседей. Участки, образованные отрезками прямых линий, соответствуют высокоупорядоченным кристаллическим областям пачки, отрезки волнистых линий — областям меньшего порядка.
При вытягивании из полимерных материалов волокон отдельные пачки цепей перестраиваются, распрямляются и располагаются параллельно друг другу. Каждое волоконце состоит из системы параллельно ориентированных пачек молекулярных цепей. Большинство кристаллических областей при этом ориентируется вдоль оси волокна. Такое расположение цепных молекул в волокне придает ему повышенную прочность на разрыв вдоль оси ориентации. В ряде случаев полимерные волокна по прочности не уступают стальной проволоке.
Конструкции из полимерных молекул, создаваемые живой природой, пока еще значительно совершеннее тех, которые мы научились получать синтетическим путем. Вместе с тем уже сейчас имеются искусственно созданные полимерные вещества, значительно более разнообразные по химическому составу, чем природные. Можно не сомневаться, что, используя и дополняя опыт природы в создании полимерных конструкций и применяя для этой цели большие молекулы нужного химического состава, удастся получить материалы с совершенно исключительными свойствами. Негорючие ткани, по прочности намного превосходящие лучшие сорта хлопчатобумажных тканей, полупроводниковые материалы на основе полимеров, искусственные кровеносные сосуды и даже «детали» сердца — все это уже не только ближайшее будущее, но и сегодняшний день химии высокомолекулярных соединений.
А если заглянуть дальше? Человеческая мышца. Сложный и совершенный механизм, построенный из белковых молекул. Но, быть может, со временем люди, не довольствуясь силой и работоспособностью мышц, данных им от природы, найдут способы создавать синтетические мышцы, более прочные и более работоспособные. Но это уже немного научная фантастика, у которой, тем не менее, есть все шансы стать реальностью…
Автор: В. А. Кабанов.