Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 31. Рідкі кристали. Полімери. Наноматеріали

  • Рідкі кристали
  • Будова і властивості полімерів
  • Будова і властивості наноматеріалів
  • Практичне використання полімерів та наноматеріалів

РІДКІ КРИСТАЛИ. У попередніх параграфах ви ознайомилися з трьома агрегатними станами речовини — твердим, рідким та газоподібним. Для речовини в кожному з них характерні особливі фізичні властивості.

Наприкінці XIX ст. учені відкрили речовини, які в певному температурному інтервалі можуть перебувати в проміжному агрегатному стані, який є подібним як до твердого, так і рідкого. Ці речовини називають рідкими кристалами, а проміжний стан, в якому вони перебувають, — рідкокристалічним. У таких речовин дальній порядок у розташуванні молекул спостерігається лише в одному напрямку, а в двох інших існує лише близький порядок. Тобто речовини мають ніби ниткоподібну структуру. Хоча ці речовини плинні подібно до звичайних рідин, вони зберігають анізотропію фізичних властивостей, як і тверді кристали. Рідким кристалам властива наявність значних сил міжмолекулярної взаємодії, тому вони зберігають свій об’єм.

Не всі речовини можуть перебувати в проміжному рідкокристалічному агрегатному стані. Для цього молекули повинні мати не сферичну, а витягнуту в одному напрямку форму або помітне ущільнення (мал. 31.1, а). У більшості молекул довгі осі повинні орієнтуватися вздовж одного напрямку, який називають директором (мал. 31.1, б).

Мал. 31.1. Особливості розташування молекул рідкокристалічних тіл

Це досягається визначенням для кожної речовини інтервалу температур, оскільки значне підвищення температури спричиняє руйнування порядку в орієнтації молекул і рідкий кристал перетворюється у звичайну рідину, а також при певній густині рідини.

Завдяки поєднанню властивостей твердих кристалів і рідин рідкокристалічним тілам властива висока чутливість до зовнішніх впливів (температури, тиску, електричного й магнітного полів). Тому їх використовують у різних електронних приладах і датчиках. Крім того, оскільки під впливом електричного поля деякі рідкі кристали змінюють колір, їх широко застосовують під час виготовлення дисплеїв електронних годинників, комп’ютерів, термометрів, плоских екранів телевізорів і в багатьох інших сучасних електронних технічних та побутових приладах і пристроях.

Рідкі кристали нині інтенсивно досліджують у багатьох наукових закладах як унікальні матеріали для сучасних електричних пристроїв. Рідкі кристали надзвичайно цікаві і дивовижні. Наразі відомо понад 10 000 органічних сполук, які є рідкими кристалами та вивчено понад 3000 речовин, що утворюють рідкі кристали. До них належать речовини біологічного походження, наприклад, дезоксирибонуклеїнова кислота, що несе код спадкової інформації, і речовина мозку. Подальші дослідження цих речовин не тільки розширюють їх застосування, а й допомагають проникнути в таємниці біологічних процесів.

Рідкокристалічна наука є міждисциплінарною: її вивчають фізика, математика, хімія, біологія, медицина, електроніка тощо. Одним із напрямів, над якими працюють фізики — фахівці з рідких кристалів, є розроблення гнучких дисплеїв та електронних книжок, газет і журналів.

Сучасні технології дають можливість виготовляти надтонкі дисплеї комп’ютерів і телевізорів (мал. 31.2). У найближчому майбутньому дисплей комп’ютера матиме товщину меншу ніж 1 мм і буде абсолютно гнучким, як папір! Отже, фізика рідких кристалів є перспективною наукою, що динамічно розвивається і в якій кожен із вас зможе зробити нові відкриття. Тож навчайтеся наполегливо!

Мал. 31.2. Надтонкі дисплеї

БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРІВ. У практичній діяльності людини великого значення набули аморфні речовини, які називають полімерами.

Полімери — природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних групувань, з’єднаних між собою в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці, з яких складаються полімери, називають мономерами.

Широка галузь застосування полімерів зумовлена їх особливими властивостями: еластичність — здатність до відновлення форми після значних деформацій; порівняно низька крихкість склоподібних і кристалічних полімерів (пластмаси, органічне скло); здатність молекул змінювати орієнтацію у просторі внаслідок механічного впливу (використовується під час виготовлення волокон і плівок); вони високостійкі в агресивних середовищах; ефективні електро- та теплоізолятори; полімери мають високу в’язкість розчинів та здатні змінювати власні властивості навіть при незначних домішках (вулканізація каучуку, дублення шкір тощо). Недоліком багатьох полімерів є схильність до старіння. Полімери можуть існувати як у кристалічному, так і в аморфному станах. Особливі властивості полімерів пояснюються не лише великою молекулярною масою, а й тим, що макромолекули мають ланцюгову будову і є гнучкими.

За походженням полімери поділяються на природні (натуральні), до яких належить велика група полімерів: білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт тощо (мал. 31.3); синтетичні — утворені синтезом з мономерів: поліетилен, полістирол; штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їх хімічної модифікації (наприклад, унаслідок взаємодії целюлози із азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Мал. 31.3. Природний полімер — білок ДНК

БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ НАНОМАТЕРІАЛІВ. Основою наноматеріалів є наночастинки, розміри яких у мільярд разів менші за 1 м, або у мільйон разів менші за 1 мм. Наночастинка у стільки ж разів менша за лінійку довжиною 1 м, у скільки разів товщина пальця менша за діаметр Землі. Більшість атомів мають діаметр від 0,1 до 0,2 нм, а товщина ниток ДНК — близько 2 нм. Молекули мають розмір близько 1 нм.

Наноматеріал — не один «універсальний» матеріал, чи просто дуже дрібні («нано») частинки, а великий клас різних матеріалів.

Наноматеріалами називають матеріали, основні фізичні характеристики яких визначаються властивостями нанооб’єктів, що містяться в них; кристалічні або аморфні системи, розмір частинок яких менший за 100 нм.

Сучасна наука класифікує такі види наноматеріалів: наночастинки; фулерени; нанотрубки та нановолокна; нанопористі структури (речовини); нанодисперсії; наноплівки; нанокристалічні матеріали.

Такі наноструктури можна розглядати як особливий стан речовини, оскільки властивості матеріалів, утворених за участю структурних елементів нанорозмірів, не ідентичні властивостям звичайної речовини. Наприклад, у наноматеріалів можна спостерігати зміну магнітних, тепло- і електропровідних властивостей. Для особливо дрібних матеріалів можна відзначити зміну температури плавлення у бік її зменшення.

Для наноматеріалів актуальна проблема їх зберігання і транспортування. Маючи розвинену поверхню, матеріали дуже активні й активно взаємодіють з навколишнім середовищем, насамперед це стосується металевих наноматеріалів.

Прикладом наноматеріалів є вуглецеві нанотрубки (мал. 31.4). У 1991 р. японський учений Суміо Іїджима виявив довгі вуглецеві структури, які одержали назву нанотрубок. Нова молекулярна форма вуглецю відкрила цілу серію нових і несподіваних фізичних, механічних і хімічних властивостей. ЦІ унікальні властивості зробили нанотрубки ключовим елементом нанотехнологій. Нанотрубки можуть використовуватися під час виготовлення молекулярних електронних пристроїв, нанотранзисторів і елементів пам’яті. Вуглецеві нанотрубки значно міцніші за графіт, хоча складаються з тих же атомів Карбону. Ви вже знаєте, що в графіті атоми Карбону розташовані пошарово. Проте вам також відомо, що згорнутий трубкою аркуш паперу набагато складніше зігнути і розірвати ніж звичайний аркуш. Тому-то нанотрубки мають таку міцність. Завдяки унікальним механічним властивостям нанотрубок можна виготовляти вуглецеві композити надзвичайної міцності для автомобільної й аерокосмічної промисловості.

Мал. 31.4. Схематичне зображення одношарової (ліворуч) та двошарових (праворуч) вуглецевих нанотрубок

Ще однією формою з’єднання молекул вуглецю є фулерени, які являють собою опуклі замкнуті багатогранники, складені з парного числа атомів вуглецю (мал. 31.5). Своєю назвою ці сполуки зобов’язані інженеру і дизайнеру Річарду Фуллеру, чиї геодезичні конструкції побудовано за цим принципом.

Мал. 31.5. Фулерени

Фулерен — винятково стійке з’єднання. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем, стійкий до дії кислот і лугів. Фулерен може утворювати сполуки, використовуючи внутрішню порожнину вуглецевої кулі, діаметр якої достатній, щоб у ній міг розміститися атом металу чи невелика молекула (мал. 36.5).

Отже, відкривається шлях до одержання хімічних сполук зовсім нового типу, де атом механічно утримується в замкнутому середовищі.

Одним із методів, що використовується для вивчення нанооб’єктів, є скануючо-зондна мікроскопія (СЗМ). За допомогою скануючо-зондного мікроскопа можна не лише побачити окремі атоми, а й вибірково впливати на них, зокрема переміщувати по поверхні. Ученим вже вдалося створити двовимірні наноструктури на поверхні, використовуючи цей метод. Наприклад, у дослідницькому центрі компанії із дослідження наноматеріалів, послідовно переміщуючи атоми Ксенону на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три букви логотипу компанії, використавши 35 атомів Ксенону.

Наноматеріали є основою для нанотехнологій, що забезпечують використання об’єктів, розміри яких менші за 1 мікрон і дають змогу проводити дослідження, маніпуляції та оброблення речовин у діапазоні розмірів від 0,1 до 100 нанометрів (1 нанометр — одна мільярдна метра) для одержання об’єктів з новими хімічними, фізичними, біологічними властивостями.

ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ПОЛІМЕРІВ ТА НАНОМАТЕРІАЛІВ. Людина вже давно використовує полімерні матеріали у своєму житті, наприклад, шкіру, хутро, шерсть, шовк, вапно та цемент. Проте наука про полімери як самостійна галузь виникла відносно недавно і як єдине ціле сформувалася лише в 50-х роках XX ст., коли було усвідомлено роль полімерів у розвитку технічного прогресу. Вона тісно пов’язана з фізикою хімією і може розглядатися як одна з базових основ сучасної молекулярної біології. Нині завдяки цінним властивостям полімери використовуються в машинобудуванні, текстильній промисловості, сільському господарстві, медицині, автомобіле-, судно- та авіабудуванні й у побуті. З полімерів виготовляють волокна, лакофарбові покриття та плівки.

Використання поліетиленової плівки у сільському господарстві — будівництво та експлуатація плівкових теплиць, дає змогу вирощувати продукцію цілий рік. У холодну пору теплиці обігріваються знову-таки за допомогою полімерних труб, закладених у ґрунт на глибину 60-70 см, крім того, за допомогою полімерних труб проводять меліорацію земель. Цікаво, що термін експлуатації полімерних труб у системах дренажу в 3-4 рази довший, ніж аналогічних керамічних.

Використання полімерних матеріалів у машинобудуванні зростає настільки швидкими темпами, що їм немає аналогів у історії людства. Полімерам стали «довіряти» дедалі відповідальніші завдання, виготовляють все більше складних і багатофункціональних деталей машин і механізмів, наприклад полімери стали застосовують у виробництві великогабаритних корпусних деталей машин і механізмів, що несуть значні навантаження. І ще один факт: чверть усіх дрібних суден — катерів, шлюпок, човнів — тепер будується з пластичних мас. Майже три чверті внутрішнього оздоблення салонів легкових автомобілів, автобусів, літаків, суден і пасажирських вагонів виконується з декоративних пластиків, синтетичних плівок, тканин, штучної шкіри. Більше того, для багатьох машин і апаратів тільки використання антикорозійного покриття синтетичними матеріалами забезпечило їх надійну, довгострокову експлуатацію навіть в екстремальних умовах космосу.

До речі, ті самі переваги стимулюють і широке застосування полімерних матеріалів в авіаційній промисловості. Наприклад, заміна алюмінієвого сплаву графітопластиком при виготовленні підкрилка крила літака дає змогу скоротити кількість деталей з 47 до 14, а кріплень — з 1464 до 8 болтів, тим самим зменшивши вагу на 22 %, а вартість — на 25 %. Покриття поверхонь літаків або лопатей роторів вертольотів шаром поліуретану завтовшки 0,65 мм у 1,5-2 рази підвищує їхню стійкість до дощової ерозії. Такими є лише деякі приклади та основні тенденції впровадження полімерних матеріалів у різних галузях народного господарства.

У найближчі десять років прогнозуються прискорений розвиток нанотехнологій та виготовлення і використання нових наноматеріалів, що забезпечить істотні зміни у таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина й екологія.

Завдяки специфічним властивостям наночастинок наноматеріали переважають «звичайні» за багатьма параметрами. Наприклад, міцність металу, одержаного за допомогою нанотехнологій, перевищує міцність звичайного в 1,5-3 рази, стійкість до корозії більша в 10-12 разів, крім того, такий метал у 50-70 разів є твердішим за звичайний.

Створення нанопорошків дасть можливість одержувати керамічні матеріали, надпровідники, сонячні батареї, фільтри та багато інших технічних засобів з новими фізичними і хімічними властивостями. Нанотехнології дають змогу створювати матеріали із самоочисними, водовідштовхувальними та іншими корисними властивостями.

Головне в цьому параграфі

Рідкі кристали — це специфічний агрегатний стан речовини, у якому вона одночасно проявляє властивості кристала і рідини. Властивості рідких кристалів притаманні рідинам: набувають форми посудини; відсутня кристалічна ґратка, тому течуть; є в’язкими.

Полімерами називають природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з’єднаних між собою в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці полімерів називають мономерами.

Наноматеріалами називають матеріали, основні фізичні характеристики яких визначаються властивостями нанооб’єктів, що містяться в них; кристалічні або аморфні системи, розмір частинок яких менший за 100 нм.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Що називають рідкими кристалами?
  • 2. Назвіть основні властивості рідких кристалів.
  • 3. Наведіть приклади речовин, що є рідкими кристалами, та галузі їх використання.
  • 4. Що називають полімерами?
  • 5. Наведіть приклади штучних полімерів.
  • 6. Наведіть приклади синтетичних полімерів.
  • 7. Назвіть галузі застосування полімерів, їхні переваги та недоліки.