Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Полимеры

Полимеры – это материалы, состоящие из длинных молекул. Они образуются путем повторения одной и той же последовательности группы атомов или «звеньев» (см. илл.).

Существует множество биологических полимеров, таких как крахмал (см. главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») или содержащаяся в древесине целлюлоза. И главное, повсеместно распространенные сегодня пластмассы также состоят из полимеров (одного или нескольких типов), в которые включаются различные добавки. Пенополистирол, например, широко используется для защиты от ударов и механических повреждений. Из полиэтилена же изготавливают примерно половину всей используемой в мире пластиковой упаковки, в том числе и пакеты для покупок.

Полимеры растворимы в некоторых растворителях. Они принимают различные формы и могут связываться между собой. Изучение этих форм было предметом многих исследований, которые принесли Нобелевскую премию по химии 1974 года американцу Полу Джону Флори (1910–1985), а затем и Нобелевскую премию по физике 1991 года французу Пьеру Жилю де Жену (1932–2007). Флори должен был довольствоваться полученными изображениями этих молекул, плавающих в растворителе. В настоящее же время с помощью атомно-силового микроскопа длинные полимерные молекулы можно «рассматривать» зафиксированными на плоской подложке. Этот метод заключается в «прощупывании» атомов цепочки наноразмерным наконечником (см. илл.).

Полимеры, полученные путем полимеризации этилена CH₂=CH₂ или его производных (R представляет собой группу атомов). Случай, при котором R является атомом водорода, соответствует полиэтилену (ПЭ). Такими производными могут быть также радикал CH₃ (полипропилен – ПП), бензольное ядро C₆H₅ (полистирол – ПС), атом хлора (поливинилхлорид – ПВХ) и т. д.

Пакеты для покупок из полиэтилена, бутылки и стаканчики из полипропилена

Молекулы ДНК (см. главу 23), расположенные на поверхности никеля, исследуются посредством атомно-силового микроскопа (С разрешения Chepelianski et al., C. R. Physique 13 (2012), p. 971)

Как видно, точки лежат достаточно близко к прямой линии, что соответствует нашей формуле. Наилучшее приближение достигается при a = 3,36 мин/мм² и b = –1,76 мин. Это отрицательное значение константы b понятно: рекомендовали время приготовления именно итальянцы. Однако у физика-теоретика, привыкшего проверять все формулы на предельных случаях, отрицательная величина b вызывает недоумение: ведь это означает, что ниже определенного диаметра пасты (0,72 мм) ее вовсе не пришлось бы готовить! Этот абсурдный результат показывает, что наша формула для слишком тонких сортов цилиндрической пасты не подходит. Уже для тонких капеллини, диаметром 1,15 мм, она приводит к явно недостаточному времени приготовления.

Озорные веревки