Física d'polímero

La física d'polímero és el camp de la física que estudia als polímeros, les seues fluctuacions, propietats mecàniques, aixina com la cinètica de les reaccions que involucren la degradació i polimerisació d'polímero i monòmers respectivament.

Mentres que s'enfoca en la perspectiva de la física de la matèria condensada, la física d'polímero és originalment una branca de la física estadística. La física d'polímero i la química d'polímero estan relacionades també en el camp de la ciència d'polímero, en a on es considera com la part aplicativa dels polímero.

Els polímero són molècules grans i per açò són molt complicades de resoldre utilisant un método determinista. No obstant, els enfocaments estadístics poden donar resultats i són a voltes pertinents, degut a que els grans polímero són descriptibles de manera eficient en el llímit termodinàmic d'un número infinit de monòmers (encara que el seu tamany és clarament finito).

Les fluctuacions tèrmiques contínuament afecten la forma dels polímero en dissolució líquides, i per a modelar els seus efectes es requerix utilisar els principis de la mecànica i dinàmica estadística. Com un corolari, la temperatura afecta fortament el comportament físic dels polímero en dissolució, causant transicions de fase, fusions, etc.

L'aproximació estadística per a la física d'polímero està basada en una analogia entre un polímero i ya siga un moviment browniano, o un atre tipo de camí aleatori, el camine auto-evitante. El model més simple possible d'un polímero és presentat per la cadena ideal, corresponent a un simple camí aleatori. Les aproximacions experimentals per a caracterisar polímero són també comuns, usant métodos de caracterisació d'polímero, tals com la cromatografía d'exclusió molecular, viscosimetría, dispersió dinàmica de llum, Monitoreo en llínea Automàtic i Continu de les Reaccions de Polimerisació (ACOMP) per a determinar les propietats químiques, físiques, i materials dels polímero. Estos métodos experimentals també ajuden a la modelació matemàtica dels polímero i inclús a un millor enteniment de les seues propietats.

Antecedents

• Paul J. Flory és considerat el primer científic en establir el camp de la física d'polímero.
• Científics en França varen contribuir molt al camp des dels anys 1970 (per eixemple Pierre-Gilles de Gennes, J. dones Cloizeaux).
• Doi i Edwards varen escriure un famós llibre sobre la física d'polímero.
• Les escoles russes i soviètiques de física (I. M. Lifshitz, A. Yu. Grosberg, A.R. Khokhlov) han segut molt actives en el desenroll de la física d'polímero.

Models

Els models de cadenes d'polímero es dividixen en dos tipos: models "ideals", i models "reals". Els models de cadena ideal assumixen que no hi ha interaccions entre els monòmers de la cadena. Esta assunció és vàlida solament per a certs sistemes polimèrics, a on les interaccions positives i negatives entre els monòmers es cancelen de manera efectiva. Els models de cadena ideal proveïxen un bon punt de partida per a l'investigació de sistemes més complexos i són més adequats per a equacions en més paràmetros.

Cadenes ideals

El model de cadena lliurement conectada és el model més simple d'un polímero. En este model, segments de l'polímero de llongitut fixa són conectats de manera llineal, i tots els ànguls d'enllaç i de torsió són equiprobables. L'polímero pugues per tant ser descrit un camí aleatori simple i una cadena ideal.

Una cadena lliurement rotatòria millora el model de cadena lliurement conectada en prendre en conte que els segments de l'polímero fan un àngul fix en les unitats veïnes pel enlazamiento químic específic. Baixe este àngul fix els segments són encara lliures de rotar i tots els ànguls de torsió són igualment provables.

El model de rotació impedida assumix que l'àngul de torsió està impedit per una energia potencial. Açò torna a la provabilitat de cada àngul de torsió proporcional a un factor de Boltzmann:

$P(\theta )\propto \exp (-U(\theta )/kT)$

En el model d'estat isomérico rotacional els ànguls de torsió permesos estan determinats per les posicions dels mínims en l'energia potencial rotacional. Les llongituts i els ànguls d'enllaç són constants.

El model de la vareta elàstica és un model més complex. Pren la llongitut de persistència en conte. Els polímero no són completament flexibles; el doblar-los requerix energia. A l'escala de llongitut baix de la llongitut de persistència, l'polímero es comporta més o menys com una vara rígida.

Cadenes reals

Les interaccions entre monòmers de cadena poden ser modelades com volum exclós. Açò causa una reducció en les possibilitats conformacionales de la cadena, i du a un camí aleatori auto-evitante. Els camins aleatoris auto-evitantes tenen diferents estadístiques que els camins aleatoris simples.