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, Berlin 1995

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