Работы в ЛФТИ по полимерам

Очень хорошо этот цикл работ АП описывает А.И. Слуцкер [ 8 ], сотрудник Физтеха, знающий все это из первых рук.

В биографическом справочнике [ 9 ] в статье, посвященной А.П. Александрову, написано, что он является "одним из создаталей физики полимеров". В 1983 году А.П. Александрову была присуждена премия Академии наук СССР имени А.Ф.Иоффе за фундаментальные исследования по физике полимеров.

Что же дало основание к таким оценкам работ А.П. Александрова "полимерного периода"?

Это связано, прежде всего, с тем, что работы А.П.Александрова были посвящены ключевому вопросу в природе физико-механических свойств полимеров, характеризуемому понятием "высокой эластичности". Так называют наиболее яркое и наглядное специфическое свойство полимерных материалов: способность к гигантскому деформированию - на сотни и тысячи процентов. При этом имеют место две особенности: - эти деформации обратимы, - деформационная способность полимеров очень резко зависит от температуры.

Разумеется, подобные, необычные для твердых тел свойства полимеров, давно, еще с Х1Х века, привлекали внимание естествоиспытателей. Но тогда полимерные материалы были только естественного происхождения (натуральный каучук, шелк, шерсть, хлопок и т.п.). Представления о молекулярном их строении были смутными. Систематических экспериментальных исследований не проводилось.

Тем не менее, анализ поведения полимерных материалов предпринимали Д.Максвелл, Ф.Кольрауш, О.Майер, У.Томсон (Кельвин), Л.Больцман и др. В результате появились определенные феноменологические и термодинамические положения в описании деформирования полимеров.

Развитию же как экспериментальных, так и - вслед за ними - теоретических исследований в то время препятствовало уже отмеченное ограничение круга полимерных материалов природными объектами. Естественные полимерные молекулы достаточно сложны. Их формирование в биологических системах и тогда, и, кстати, теперь фактически неконтролируемо. Поэтому выявление детальных количественных закономерностей в физических свойствах и поведении объектов, построенных из таких молекул, весьма затруднено.

А именно к началу 30-х годов нашего века в области полимеров произошли события, очень важные для возможности развития физической науки о полимерах. Речь идет о начале интенсивных работ по получению синтетических, искусственных полимеров .

"Рукотворные" синтетические полимерные цепные молекулы могут иметь сравнительно простое строение. Можно управлять длиной молекул. К тому времени и появились: полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол, нейлон (капрон), синтетический каучук и др. Такие полимеры выступили удобными объектами физических исследований. Конечно, было весьма важным и то, что сразу стали просматриваться интересные и многочисленные перспективы их технического использования (в настоящее время мы видим, как сильно насыщается и техника, и быт синтетическими полимерными материалами).

Поэтому, очевидно, А.Ф.Иоффе с его столь известной прозорливостью в определении перспективных физико-технических направлений и стал организовывать и поддерживать в Физтехе работы по исследованию полимеров.

В 30-х годах в Физтехе образовалась мощная " полимерная" группа . Ее составляли: Павел Павлович Кобеко , Евгений Васильевич Кувшинский , Серафим Николаевич Журков , Семен Ефимович Бреслер , Юрий Семенович Лазуркин , Марк Иосифович Корнфельд , Вадим Робертович Регель и другие. И, конечно, - Анатолий Петрович Александров . Очень важным было присутствие рядом и внимание к этим работам такого выдающегося теоретика, как Якoв Ильич Френкель . В то время это была несомненно самая сильная в мире группа по исследованию физики полимеров.

Ясно, что особенности полимеров, дающие основание для выделения физики полимеров в некий самостоятельный раздел физики конденсированного состояния, обусловлены спецификой их молекулярного строения. Длинные цепные молекулы с их сильными (ковалентными) связями в скелете молекулы и со сравнительно слабыми (ван-дер-ваальсовскими или водородными) связями между соседними молекулами или частями одной молекулы и определяют особенности структуры и, соответственно, особенности молекулярной динамики в полимерном теле. А эти структурно-динамические особенности определяют и особенности макроскопических свойств полимерного тела: прежде всего механических, а также - тепловых, акустических, электрических, оптических и т.д.

Полимерная группа Физтеха и А.П. Александров в ее составе сосредоточились на фундаментальном вопросе: выяснение форм и механизма специфической динамики полимерных молекул. Полимерная группа Физтеха внесла основополагающий вклад как в экспериментальные основы, так и в теоретические представления о механизме специфической молекулярной динамики полимеров.

Экспериментальные исследования включали систематическое и детальное изучение кинетики высокоэластичного деформирования полимеров. Объектами исследования выступили как синтетические, так и некоторые природные полимерные материалы. Отличительными особенностями этих работ были: - проведение измерений в широкой области температур, - изучение поведения полимеров как при статическом, так и при динамическом (циклическом) воздействии.

Непосредственно А.П.Александрову и его сотрудникам здесь принадлежат важные результаты, полученные при статическом растягивающем нагружении (другими исследователями в Физтехе велись работы как при том же растягивающем, так и при сжимающем нагружении, и при кручении) и при циклическом механическом воздействии в широком диапазоне частот.

Для объяснения выявленных закономерностей в полимерной группе Физтеха и в частности А.П.Александровым была развита следующая модель. Спецификой молекулярной подвижности в полимерах является ее не вибрационный, а прыжковый (скачковый) характер. Разумеется, обычная вибрационная подвижность атомов в составе цепных молекул тоже имеет место. Но наряду с этим время от времени происходят локальные перегруппировки, значительные изменения формы сравнительно небольшого участка молекулы. Для такой перегруппировки требуется преодолеть барьеры, создающиеся взаимодействием атомов как с соседями по цепи, так и с соседними молекулами. Поэтому для перегруппировки требуется соответствующая флуктуация тепловой энергии. В момент такой флуктуации и происходит скачковое изменение формы участка цепной молекулы. Тогда и появляется важнейшая характеристика скачковой (прыжковой) динамики время ожидания скачка (т.е. время ожидания соответствующей флуктуации). Это время приобрело название "время релаксации".

Несомненно, уже отмечавшееся близкое соседство полимерной группы и Я.И.Френкеля с его плодотворными идеями флуктуационной динамики в конденсированных системах и ее важнейшей роли в определении многих физических свойств этих систем оказало сильное влияние на успешную разработку вопросов молекулярной динамики полимеров.

После установления флуктуационного механизма специфической молекулярной подвижности в полимерах встали вопросы природы барьеров скачковой подвижности и конкретизации влияния внешней механической силы на эту подвижность.

Что касается природы барьеров, то важным в разработке этого вопроса П.П.Кобеко, А.П.Александровым и полимерной группой Физтеха явилось заключение о значительном вкладе в величину барьера межмолекулярного взаимодействия, т.е. взаимодействия боковых атомов данной цепной молекулы с боковыми атомами соседних молекул. Это было установлено соответствующими экспериментами и оказалось чрезвычайно плодотворным в решении практических задач управления рядом свойств полимерных материалов. Так, для повышения "морозостойкости" полимера (т.е. для обеспечения его достаточной эластичности при понижении температуры) требовалось уменьшить время релаксации, для чего следовало снизить барьер. А это достигалось введением в полимер соответствующих небольших органических молекул, которые уменьшали межмолекулярное сцепление. Так был решен целый ряд важных технических задач. Если же требовалось повысить термостойкость полимера (т.е. предохранить его от чрезмерного размягчения при повышении температуры), что, в свою очередь, требовало повышения барьера, то тогда введением добавок другого типа достигалось увеличение сцепления молекул (образование своеобразных "мостиков- связок"). И такие практические задачи решались на основе разработок полимерной группы Физтеха при самом активном участии А.П. Александрова.

Ему же принадлежит первая формулировка конкретного вида влияния внешней механической силы на скачковую подвижность полимерных молекул. А.П. Александров опирался на общее положение Максвелла о влиянии внешнего напряжения на время релаксации системы.

От А.П. Александрова началась и идет ясная и последовательная трактовка действия силы на активационные процессы, которая впоследствии распространилась не только на процессы деформирования, но и, например, процессы разрушения полимеров и других твердых тел (работы школы С.Н. Журкова )

В силу всего сказанного можно утверждать, что А.П. Александровым и, конечно, всей полимерной группой Физтеха, действительно были выполнены исследования, давшие принципиальные результаты и позволившие говорить о создании основ физики полимеров.

Ссылки: