Ó Andrzej BUDKOWSKI (IF UJ)
http://www.if.uj.edu.pl/pl/ZINM/polyfilms/
Makromolekuły-
fizyka polimerów
semestr
zimowy 2006/07: IFUJ Reymonta 4, sala 001A (PIĄTEK 8.00-10.00)
Cele
30 h wykładu:
Wprowadzenie do
podstaw fizyki makromolekuł skierowane zarówno do studentów (biotechnologii, biofizyki molekularnej,
fizyki medycznej)
zainteresowanych biomolekułami, jak i studentów (fizyki ciała stałego, chemii, inżynierii materiałowej) zainteresowanych polimerami
syntetycznymi.
Omówienie 5
podstawowych grup zagadnień: architektury i stanu fizycznego polimerów, konformacji i ich zmian, dynamiki makrocząsteczek dla różnych
zakresów czasowych, aspektów
kinetycznych i termodynamicznych dyfuzji, oraz -samo-organizacji.
Zapoznanie z
technikami eksperymentalnymi materii miękkiej na przykładzie makromolekuł.
Demonstracja zastosowania idei fizyki polimerów do wysokiej
technologii (np. materiały nanostrukturalne, kryształy fotoniczne), nanofizyki
molekularnej (np. motory
i zawory molekularne) i biotechnologii (np. chromatografia żelowa).
I. Architektura, stan fizyczny, masa
cząsteczkowa
I.1. Architektura
molekularna.
Struktura topologiczna i chemiczna. Izomerie konfiguracyjne (przestrzenna;
sekwencyjna; stereoizometria). Izomeria konformacyjna (giętkość i kształt
makromolekuł; izomery rotacyjne a krotność wiązania). Wielopoziomowa struktura
polimeru (konfiguracja; konformacja; agregacja; mikromorfologia, morfologia).
I.2. Stany fizyczne polimerów. Stany fizyczne w fazach skondensowanych
(szklisty, elastyczny, plastyczny, stopiony) a zależność modułu od temperatury.
Elastomery, termo- i duro-plasty. Stany fizyczne w roztworach (rozcieńczony,
semi-rozcieńczony, semi-stężony; ciekłokrystaliczny).
I.3. Rozkład i pomiary masy
cząsteczkowej. Liczbowo-, wagowo-,
lepkościowo- średnia masa cząsteczkowa. Indeks polidyspersyjności. Osmometria
membranowa, rozpraszanie promieniowania, lepkość istotna. Chromatografia żelowa
i spektrometria masowa.
II.
Rozmiary makrocząsteczki. Konformacje łańcucha
II.1. Konformacje łańcucha idealnego. Modele łańcucha idealnego: model łańcucha
swobodnie związanego (stosunek Flory’ego, segment Kuhna). Promień bezwładności.
Funkcja rozkładu, energia swobodna i elastyczność łańcucha idealnego.
II.2. Konformacje łańcucha rzeczywistego; przejścia
konformacyjne polimerów syntetycznych. Konformacja łańcuchów izolowanych (w roztworach rozcieńczonych):
Objętość wyłączona. Uogólniony model Flory’ego. Przejścia konformacyjne
globulka - kłębek - kłębek spuchnięty, ich obserwacja i zastosowanie w
nanotechnogii. Przejście helisa-kłębek.
II.3. Przejścia konformacyjne biomolekuł; pomiary
rozmiarów łańcucha. Denaturacja
DNA. Formowanie stanu globularnego DNA. De/re/naturacja i /roz/fałdowanie się
białek. Konformacja łańcuchów nieizolowanych: Stopy. Roztwór półrozcieńczony,
szkic wykresu pseudofazowego. Pomiary rozmiarów makromolekuł z lepkości
istotnej (równania Flory-Foxa i Marka-Houwinka), z rozpraszania promieniowania
(prawo Guiniera, wykres Zimma).
III.
Dynamika łańcucha i dyfuzja pojedynczej makrocząsteczki
III.1. Dynamika polimeru nie-splątanego. Mechanizm dyfuzyjny dla cząstki koloidalnej,
różnice dla polimeru. Model Rouse’a (stopy) i Zimm’a (roztwory rozcieńczone).
Mody relaksacyjne i mechanizmy subdyfuzyjne. Reżimy czasowe segmentu.
III.2. Dynamika polimeru splątanego, Reptacja
polimerów. Splątanie łańcuchów, rura
ograniczająca (Edwards’a) i reptacja (de Gennes’a). Mechanizmy sub-dyfuzyjne i
reżimy czasowe. Uwolnienie ograniczeń topologicznych. Dyfuzja wskaźnikowa i
samo-dyfuzja, kinetyczne aspekty dyfuzji. Elektroforeza żelowa.
III.3. Równoważność czasowo–temperaturowa; reptacja a
lepko-sprężystość polimerów. Odzwierciedlenie w zależności modułu od czasu.
Zależność temperaturowa czasu relaksacji, współczynnika tarcia i dyfuzji.
Równoważność czasowo-temperaturowa.
IV.
Samo-organizacja makromolekuł
IV.1. Mieszaniny polimerów: Termodynamika. Makro- i mikro-fazy układu polimerów. Model
sieciowy Flory-Hugginsa (parameter Flory-Hugginsa). Entalpia swobodna a warunki
równowagi faz: Binoda, spinoda, punkt krytyczny. Diagramy fazowe.
IV.2. Mieszaniny polimerów:
Makro-separacja fazowa. Metody inicjacji separacji. Dwa typy separacji: Nukleacja i
wzrost. Rozkład spinodalny i jego 3 etapy. Rosnąca skala struktury. Skalowanie
dynamiczne.
IV.3. Układy kopolimerów blokowych: Mikro-separacja
fazowa. Entalpia swobodna układu
jednoskładnikowego. Morfologia mikrofaz a architektura dwubloków, analogia do
molekuł amfifilowych. Przejście nieporządek-porządek. Określona skala
struktury. Wymuszanie uporządkowania dalekiego zasięgu. Morfologia mikrofaz
trójbloków. Zastosowania w nanotechnologii.
V. Dyfuzja wzajemna i jej aspekty termodynamiczne
Termodynamika procesów nieodwracalnych a prawa Ficka. Dyfuzja
wzajemna: jej relacja z samodyfuzją i dyfuzją wskaźnikową. Termodynamiczne
przyspieszenie i opóźnienie. Dyfuzja ujemna (pod górkę). Dyfuzja zniesiona.
Nie-fickowskie profile koncentracji.
LITERATURA:
M. Rubinstein, R. H. Colby, Polymer physics, Oxford Univ. Press, New York 2003
G. Strobl, The physics of polymers, Springer,
A.Y.
Grosberg, A.R. Khoklov, Giant molecules,
Academic Press 1997
H.Galina, Fizykochemia
polimerów, skrypt Politechniki Rzeszowskiej 1998
Dalsze tematy do zrealizowania:
IV.4 Polimerowe
ciekłe kryształy
IV.5 Polimery
krystaliczne