Реферат: Полимеры
В этом отношении имеется определённое сходство между поведением высокоэластичной резины и идеального газа. При быстром сжатии газа вся затраченная работа пойдёт на увеличение его внутренней энергии, т. е. температуры. Когда сжатый газ остынет, внутренняя энергия вернётся к прежнему уровню. Если же позволить сжатому газу расширяться, он совершит работу, а его температура на некоторое время понизится.
На эффекте Гуха — Джоуля основан интересный опыт. У колеса наподобие велосипедного вместо металлических спиц натягивают резиновые жгуты и подвешивают колесо в вертикальном положении так, чтобы оно могло вращаться с малым трением. При одинаковом натяжении жгутов втулка расположится точно в центре колеса. Если теперь обдувать горячим воздухом какой-то участок колеса, резиновые жгуты в этом месте сократятся и подтянут к себе втулку. Центр тяжести колеса сместится, и оно повернётся: нагретая часть пойдёт вверх, и действию струи горячего воздуха подвергнутся следующие жгуты. В результате колесо будет непрерывно вращаться.
«Дурацкая замазка»
На Международной химической выставке в Москве (1965 г.) в павильоне американской фирмы «Дженерал Электрик» демонстрировалось необычное вещество. С виду оно напоминало оконную замазку или жёсткий пластилин:
его можно было мять в руках (правда, довольно медленно), лепить из него разные фигурки. В общем, на первый взгляд вроде бы ничего особенного. Однако если из этой замазки слепить шар и бросить его на каменный пол, то он не прилипнет к нему, как пластилиновый, а высоко подскочит! Если шарик смять, медленно растянуть в длинную ленту, а потом резко дёрнуть за концы, она с треском порвётся. Если же по шарику стукнуть молотком, он, как стеклянный, разобьётся на мелкие осколки, которые снова легко слепить в комок.
Когда американские химики впервые синтезировали это вещество, они рассчитывали получить новый полимер с ценными свойствами, а вышло невесть что — какая-то дурацкая замазка. Так её и назвали, решив, что единственное достойное для неё место — магазин детских игрушек.
Как же вещество может одновременно проявлять столь различные свойства? Казалось бы, текучесть и упругость полностью исключают друг друга,
так что всегда можно сказать, является ли данное тело твёрдым веществом или жидкостью. Оказывается, не всегда. Конкретный тому пример — «дурацкая замазка» (другое название — «прыгающая замазка»). И он далеко не единственный. Впервые предположение о том, что могут существовать тела, которые являются текучими и упругими одновременно, и что чёткой границы между жидкостью и твёрдым телом не бывает, высказал в XIX в. английский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831—1879). Тогда это вызвало огромное удивление.
На самом деле ничего странного здесь нет. Ведь и обычная вода, если по ней ударить с большой скоростью, не успеет отреагировать на воздействие и будет сопротивляться ему, как твёрдое тело (в этом может убедиться каждый, если неудачно плюхнется с берега в воду животом или же просто стукнет ладонью по поверхности воды). Это свойство жидкости можно проверить и более безопасным способом: если по вытекающей из трубки струе вязкой жидкости сильно ударить молотком, струя поведёт себя как хрупкое тело и разобьётся на осколки с острыми краями (это можно зафиксировать с помощью скоростной кинокамеры или фотоаппарата с малым временем выдержки).
С другой стороны, твёрдая смола или битум под нагрузкой медленно текут, как очень вязкая жидкость. Значит, всё дело в соотношении между временем воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необходимое молекуле жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и частицы не успевают должным образом перестроиться, «поддаваясь» внешней силе, происходит разрыв химических связей между молекулами (или даже внутри них). Время релаксации может изменяться в очень широких пределах — от тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.
Особый интерес представляет случай, когда время релаксации не слишком мало (как у воды) и не слишком велико (как у твёрдой смолы), т. е. измеряется секундами или десятыми долями секунды. Именно это наблюдается у «дурацкой замазки». Кроме того, будучи полимерным веществом, она обладает ещё и эластичными свойствами. Они проявляются особенно заметно, когда длительность воздействия примерно равна времени релаксации. Последнее сильно зависит от температуры (в этом нетрудно удостовериться, понаблюдав за асфальтом на дороге зимой и жарким летом). Только при комнатной температуре «дурацкая замазка» проявляет все три свойства: при медленном воздействии она ведёт себя как очень вязкая жидкость, при более быстром — как резина, а при очень резком — как хрупкое твёрдое тело.
С химической точки зрения необычное вещество представляет собой кремнийорганический полимер, содержащий от 0,5 до 7,5 % бора, и называется полидиметилборасилоксаном. Подобно силиконовым каучукам, полимер построен из диметилсилоксановых цепочек (—(СНз )2 Si—О—)n . Кроме них в полимере имеются борсодержащие группы —О—В—О—, которые связывают между собой силоксановые цепи. Молекулярная масса полимера может изменяться от нескольких сотен до десятков тысяч, а консистенция — от почти жидкой до почти твёрдой. Если цепи не очень длинные, полимер уже при комнатной температуре медленно растекается по твёрдой поверхности. С увеличением длины цепей вещество постепенно твердеет, улучшается и его «прыгучесть»: некоторые сорта «прыгающей замазки» подскакивают после свободного падения на твёрдую поверхность почти до исходной высоты. Это свойство позволяет, например, изготовлять из «дурацкой замазки» мячи для игры в гольф.
Заметная упругость многих полимерных жидкостей проявляется еще в
одном необычном опыте. Если наклонить стакан с такой вязкой жидкостью, она начнёт медленно переливаться через край, постепенно заполняя подставленный снизу сосуд. Если теперь, сохраняя непрерывность струи, вернуть стакан в исходное положение, жидкость будет продолжать перетекать в нижний сосуд, пока её в стакане практически не останется! Очевидно, что с водой такой фокус не пройдёт: её струя немедленно прервётся.
Для того чтобы провести подобные опыты в домашних условиях, не обязательно синтезировать кремнийорганический полимер. «Интересное» время релаксации имеют сгущённое молоко, некоторые сорта мёда и шампуней, резиновый клей средней густоты. Его можно переливать из стакана в стакан, как обычную жидкость. И в то же время струю этой жидкости можно в буквальном смысле слова разрезать ножницами (только их надо предварительно смазать жиром, иначе клей к ним прилипнет). После разрезания нижняя часть струи быстро упадёт в сосуд, в который клей переливают, а верхняя, проявляя упругие свойства, подскочит и вернётся в стакан, из которого она только что вылилась.
Любопытный опыт можно провести с шампунем подходящей густоты. Если выливать его тонкой струйкой в маленькое блюдечко, то струя через некоторое время начнёт укладываться поверх горки шампуня петлями, как будто это не жидкость, а верёвка. И хотя «верёвка» постепенно расплывается, легко заметить, как её петли время от времени забавно прыгают во все стороны (а иногда даже вверх). Значит, и у шампуня есть свойства резины!
Опыт же с «прыгающей замазкой» можно проделать с помощью обычного силикатного клея (это водный раствор силиката натрия) и этилового спирта. В небольшую чашечку наливают примерно 10 мл клея и медленно, непрерывно помешивая, добавляют равный объём спирта. Вскоре жидкость застывает в студнеобразную массу; из неё надо слепить шарик и промыть его водой (руки и особенно посуду потом нужно тщательно очистить от клея).
Полученная эластичная разновидность силикагеля (он имеет состав Sio2 •n Н2 О) обладает всеми свойствами «прыгающей замазки». При медленном приложении силы вещество ведёт себя как очень вязкая жидкость, похожая на холодный пластилин: шарик можно разминать руками, а если его положить на твёрдую поверхность, он постепенно растечётся. От твёрдой поверхности он отскакивает не хуже резинового, а при сильном ударе рассыпается. К сожалению, со временем шарик высыхает, становится хрупким и теряет эти свойства.