Пластики и полимеры

Природные полимеры распространены достаточно широко, это, например, белки и целлюлозы. Полимеры представляют собой соединения с длинными молекулами, построенными как последовательность повторяющихся идентичных химических единиц, связанных в цепи ковалентными связями. Возможно, основные сведения о способах синтеза полимеров химии при- обрели, пытаясь получить синтетический аналог натурального каучука» Сегодня химики создали так много полимеров столь разнообразного целевого назначения, что уже трудно пред- ставить себе современное общество лишенным возможности пользоваться полимерными материалами» Ярким свидетельс- твом важности полимеров является 100-кратный рост их про- изводства в США за последствие 40 лет. В объемных показате- лях их производится больше, чем стали, выпуск которой за тот же период увеличился лишь вдвое. Совершенно ясно, какие экономические выводы следуют из этого сравнения.

Химия полимеров определяется многими параметрами. Кон- троль над ними - искусство, которым химики овладевают все в большей степени и большей степени. Чрезвычайно важны тща- тельный подбор условий реакции (температуры, давления, ини- циатора полимеризации, концентрации, растворителя, эмуль- гатора и т.д.) и структур реагентов (мономеров), которые могут существенно влиять на целый ряд различных свойств поли- мерных продуктов. Мы можем предопределить среднюю длину цепи (молекулярную массу), степень ее разветвленности, число поперечных связей между полимерными цепями и физические и химические свойства конечного продукта (путем ввода специ- ально подобранных функциональных групп).

Целенаправленно манипулируя этими факторами, химик мо- жет конструировать полимеры с заданными свойствами, такими как пластичность или жесткость, прочность при растяжении, гибкость или эластичность, термопластичность или термичес- кая устойчивость, химическая инертность или растворимость, притягивание или отталкивание растворителей (смачиваемость или несмачиваемость для воды, чувствительность к свету (фото- деструкция) и микроорганизмам (биодеградация) и способность изменять вязкость при течении (тиксотропия). Именно этим объясняется продолжающийся рост производства пластиков и увеличение их присутствия в предметах, которыми мы пользу- емся , которые носим, на которых сидим, в которых ездим, кото- рые, как или иначе, входят в наш обиход.

Полиэтилен: химическая цепочка из многих идентичных фраг- ментов

НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Оптические волокна

Подобно тому, как в современной электронике транзисторы вытеснили электронные лампы, тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволоку, традиционно использовавшу- юся для изготовления кабелей. Импульс электронов, посы- лаемый по медной проволоке, заменил световой импульс, по- сылаемый по светопроводящим волокнам. Решающую роль в практическом осуществлении этого нового подхода сыграло то обстоятельство, что технологи сумели разработать эффектив- ный способ получения высокопрозрачных кварцевых нитей путем химической конденсации пара (ХКП). Суть его состоит в следующем: соединение, диоксида, кремния, который на внут- ренней поверхности стеклянной трубки. Трубку с нанесенным слоем диоксида кремния размягчают и вытягивают нить. Тол- щина получаемой таким образом кварцевой нити со стеклян- ным покрытием составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса. ХКП позволила менее чем за десятиле- тие в 100 раз сократить потери света в волокнах. Новый класс материалов, фторидные стекла, возможно позволит получить еще более прозрачные нити. В отличие от обычных стекол, представляющих собой смеси оксидов металлов, фторидные стекла – это смеси фторидов металлов. Многие практические проблемы, связанные с использованием таких стекол, еще не решены, но в принципе, используя фторидные стекла, можно было бы передавать оптические сигналы через Тихий океан без помощи релейных станций.

Оптические переключатели

Химия сыграла весомую роль не только в разработке новых материалов, таких как оптические волокна, и процессов их по- лучения, но и в создании материалов для оптических устройств, предназначенных для переключения, усиления и хранения опти- ческих сигналов. Эта область открывает замечательные возмож- ности ведь оптический переключатель способен срабатывать за одну миллионную миллионной доли секунды (за пикосекунду). В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия алюминия, продукты электронной ин- дустрии. Однако органические стереоизомеры, жидкие кристал- лы и полиацетилены могут давать оптические эффекты, превос- ходящие возможности ниобата лития. Эта область исследований обещает много новых открытий и технологических разработок.

НОВЫЕ ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Полупроводники

Пятидесятые годы ознаменовались блестящими дости- жениями в физике твердого тела, заложившими фундаментглубокого понимания природы чистых полупроводниковых материалов. Поскольку в процессе проведения этих исследова- ний выяснилось, что необходимы монокристаллы элементных кремния и германия с содержанием примесей не более одной части на 100 миллионов, химикам также пришлось заняться этими проблемами. В результате полупроводниковые свойс- тва были обнаружены у бинарных соединений элементов III и V групп Периодической системы, например у соединения гал- лия и мышьяка. Одно из типичных соединений III-V-антимо- нид индия, смешанный полупроводник, который уже 15 лет используется как один из самых чувствительных детекторов в ближней инфракрасной области. Несколько позднее в центре внимания оказались монокристаллы арсенида галлия различ- ной толщины с различным содержанием примесей. Материалы этого рода служат для изготовления лазеров и лазерных дисп- лейных устройств, используемых в длинноволновых оптичес- ких линиях связи.

По мере расширения круга материалов, применяемых в по- лупроводниковых технологиях, в эту работу вовлекалось все больше и больше химиков. Скачок активности химиков совпал с поразительным открытием полупроводниковых свойств аморф- ного (некристаллического) кремния. Поскольку общепринятая и весьма эффективная теория полупроводникового поведения, вошедшая во все учебники, ориентирована на свойства абсо- лютно упорядоченных твердых тел, в рамках этой теории нельзя было ни предсказать существование аморфных полупроводни- ков, ни удовлетворительно описать их.

Для объяснения этой загадки пользуются химическим язы- ком и хищническими концепциями (например, говорят о «блуж- дающих связях» в аморфном кремнии).

Мы находимся на пороге новой эры в науке о твердом теле: физики продолжают развивать успехи, достигнутые ими в изу- чении свойств новых твердотелых материалов, роль же хими- ков существенно возрастает. Дело в том, что в настоящее время открыты совершенно новые группы твердых тел, обладающих электрической проводимостью, свойства которых в значитель- ной степени определяются способностью химиков контроли- ровать локальные структуры и молекулярные свойства. Как мы увидим далее, некоторые из этих материалов относятся к классу неорганических, другие – к классу органических соединений.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Развитие многих современных технологий сдерживается из-за отсутствия подходящих конструкционных материалов. Реактивные и автомобильные двигатели, ядерные реакторы, магнитогидродинамические генераторы и теплозащитные щиты космических кораблей – примеры из настоящего. В бу- дущем проблема материалов возникнет в связи с реализацией управляемого термоядерного синтеза. Мощность и эффектив- ность любого теплового двигателя – парового, внутреннего сгорания, реактивного – с повышением рабочей температуры возрастает. Поэтому работа над получением новых материалов, которые позволили бы повысить рабочие температуры, имеет большое экономическое значение.

Новые методы синтеза

Существует ряд перспективных методов приготовления термостойких материалов. Это имплантация ионов, пламен- ный синтез, плавление в отсутствие гравитации, напыление на кристаллические поверхности с помощью молекулярных пуч- ков (эпитаксия) и химическая конденсация из пара под дейс- твием тлеющего разряда (плазма). Относительно недавно был предложен необычный метод, базирующийся на использовании лазерной техники. Луч мощного импульсного лазера, сфокуси- рованный на твердой поверхности, способен кратковременно (менее чем за 100 нс) создавать исключительно высокие локаль- ные температуры, вплоть до 10000 К. В месте фокусировки та- кого короткого высокотемпературного импульса, происходят значительные химические и физические изменения, например, модификация поверхности, образование поверхностных спла- вов, а в условиях конденсации пара он может инициировать специфические химические реакции. Все упомянутые методы приводят к термодинамически нестабильным фазам с особы- ми «замороженными» свойствами. (Примером подобной фазы служит алмаз) Этот драгоценный камень ценится за «игру» света и исключительную твердость, но в нормальных условиях он термодинамически неустойчив относительно графита.
Авторский проект BERL.RU
Копирование материалов - только при согласовании и указании ссылки на сайт.