Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Кристалдық және аморфты денелер. Полимерлер мен биополимерлер

КРИСТАЛДЫҚ ЖӘНЕ АМОРФТЫ ДЕНЕЛЕР. ПОЛИМЕРЛЕР МЕН БИОПОЛИМЕРЛЕР.

Кристалдық жағдайдың айырмашылықты белгісі анизотропия болып табылады – бағытына байланысты физикалық қасиетіне тәуелділік (механикалық, жылулық, электрлік, оптикалық).

Кристалдардың анизотропиясының себебі атомдардың немесе малекулалардың тізіліп орналасуында, олар содан құралған және бөлек монокристалдармен көрінеді. Алайда, кристалдық денелер поликристалдар түрінде кездеседі – ретсі бағытталған бөлек майда кристалдардың қосылуы (кристалиттер). Бұл жағдайда анизотропия кристалиттер жүзінде байқалады.

Кристалдардың атомдары немесе молекулаларының тізіммен орналасуы геометриялық дұрыс құрылымының түйіндерінде орналасуымен түсіндіріледі, сөйтіп кеңістікті кристалды торды құрады. Түйінде орналасқан бөлшектердің табиғатына байланысты және өзара әсер ету күшіне байланысты кристалдық торшаның 4түрін айырады: ионды, атомды, металдық және молекулалық.

Иондық кристалдың кристалдық торының түйініндеәртүрлі белгілердің иондары орналасады. Олардың өзара әсерінің күші көбіне кулондық. Бұл кристалды толық бір молекула ретінде қарастырады. Атомды кристалдың торшасының түйіндері нейтралды атомды, олардың арасында ковалентті байланыс жүреді. Металдық торшаның барлық түйіндерінде оң ионды металдар орналасқан. Олардың арасында электрондар қозғалып жүреді. Иондар мен электрондар жүйесіметалдық байланыс құрады. Молекулярлық кристалдың кристалдық торшасының түйіндерінде молекула аралық байланыс күшін ұстап тұратын молекулалар орналасады.

Қуаттылық жағынан қарағанда идеалды кристал идеалды газға қарама қайшы. Идеалды газда қуаттың атомдар арасында өзара әсерініңабсолютті мәні аз kT – жылулық қозғалыстың орташа қуаты. Керісінше, үлкен күштің әсер ету нәтижесінде кристалда өзара әсер ету қуатының абсолютті мәні kT үлкен. Cондықтан кристалдардағы жылулық қозғалыс бөлшектер арасындағы байланысты бұза алмайды, нәтижесінде олар тепе теңдік жағдайының маңында аз қозғалыстар жасайды.

Кристалда әртүрлі бөлшектердің арасындағы байланыс потенциалды қуаттың Е арасындағы арақашықтыққа r байланысына тәуелді.

Аморфты денелердің негізгі макроскопиялық ерекшелігі олардың қасиетітінің изотропиясы және балқудың нақты нүктесінің болмауы, бұл денелердің ішкі құрылымына байланысты.

Аморфты қалыптағы денелердің ішкі құрылымының басты ерекшелігі кристалдарға тән тізімнің болмауы, яғни атомдар немесе дененің барлық бағытындағы атомдар тобының орналасуының қатаң қайталануы.

Сонымен қатар аморфты жағдайдағы затта жақын реттілік болады, яғни аралас бөлшектердің орналасуында кейбір реттіліктер. Арақашықтықпен ол реттілік бұзылады.

Аморфты денелер кристалдарға қарағанда көлемі, энтропиясы және ішкі қуаты үлкен. Осы денелер тек жоғары температурада және төменгі қысымда ғана тепе теңдік жағдайда болады, ол бөлшектердің орналасуына және олардың арасындағы ара қашықтығына байланысты. Осыған байланысты аморфты денелер сыртқы әсердің жылдамдығына байланысты мығым немесе жұмсақ бола алады. Мысалы, егер бір бөлігін ыдысқа салып қойсан, біраз уақыттан кейін ол ыдыстың формасындай болады. Егер осы бөлікті балғамен ұрсан, онда ол сынып кетеді.

Аморфты денелер әртүрлі химиялық табиғатты заттарға тән. Төменгі қысымда және жоғары температурада осыған тән заттар қозғалмалы: төменгі молекулалы сұйықтықтар, жоғары молекулалық жоғары серпімділік кезінде. Төменгі температурада және жоғары қысымда аморфты денелердің қозғалмалылығы төмендейді және олардың барлығы қатты денеге айналады. Қатты аморфты жағдайды шыны тәрізді деп атайды.

Полимерлер дегеніміз көптеген атомдар немесе атомдық топтардан құралған, химиялық байланыспен қосылған, ұзын тізбекті болып келетін молекулаларды атайды. Полимерлердің химиялық құрылымының ерекшелігі физикалық қасиетіне байланысты.

Полимерлердің төменгі молекулярлы заттардан айқын ерекшелігі механикалық қасиетінде. Қатты денелер аз қайтымды деформация кезінде мығымды болатыны белгілі. Ал сүйықтықтар төмен мығымдықта шексіз деформацияға келеді. Полимерлер – қатты денелер мен сұйықтықтың механикалық қасиетіне ие материалдар. Олар өте мығым, сонымен қатар үлкен қайтымды деформацияларға ие болып келеді.

Полимерлі материалдарғабарлық тірі және өсетін материалдарды жатқызуға болады. Мысалы, жүн, тері, мүйіз, мақта, натуралды каучук және т.б., сонымен қатар синтетикалық материалдар – синтетикалық каучук, пластмасса, т.б..

Көбіне табиғи полимерлік материалдар ақуыздық заттардан құралады: жай ақуыздар – альбумин, глобулин; күрделі ақуыздар – казеин, кератин және коллагендер. Агар – агарда 85% көмірсудан, әсіресе полисахаридтерден құралады, олар да полимерлерге жатады.

Механикалық қасиетінен басқа полимерлер басқа да қасиеттерге ие. Мысалы, олардың ерітіндісі жоғары тұтқырлыққа ие; Полимерлер сұйықтықта өте күшті ісінеді.

Полимерлердің ұзын тізбекті құрылымды молекулалары пленқа мен волокнаны құрайды.Қазіргі уақытта полимерлерді диэлектриктер ретінде кең қолданады.

Қарапайым органикалық полимерлерге полиэтилен, полимерлің тізбек немесе көптеп қайталанатын макромолекулалар жатады:

n • CH2 = CH2 → [- CH2 – CH2 -] n

Полиэтилен – сызықты полимерлердің туындысы. Сызықты полимерлер дегеніміз ұзын тізбектен құралған макромолекулалар. Разветвленді полимер дегеніміз негізгі тізбегінен басқа бүйір жағынан да тізбектері бар болуы.

Кеңістікті торшада бір бірімен байланысқан, ұзын тізбектерден құралған, полимерлер торлы немесе кеңістікті болып келеді, ал бірдей полимерлерден құралғанды – гомополимерлер дейді.

Полимердің макромолекуласы қатаң болып келеді. Жылулық қозғалыстың нәтижесінде немесе сыртқы өрістің әсерінен оның кеңістікті түрі өзгереді. Осы өзгерістерді конформационды айналы деп атайды.

Жылулық қозғалыстың нәтижесінде макромолекулалар әртүрлі конформацияларға айналады. Макромолекулалар өте үлкен мөлшерлерге жете алады. Полимердің молекуласының үлкен мөлшерінің арқасында қайнау температурасы өте жоғары. Осыдан барлық полимерлердің бөліну температурасы қайнау температурасынан төмен болады. Яғни полимерлер конденсирленген жағдайда болады: сұйық немесе қатты. Қатты полимерлердің ішінде айыруға болады: аморфты және кристалдық.

Аморфты денелер жоғары серпімділік жағдайда қатты деформациялануы мүмкін (1000%), оның деформациясы қайтымды, қайтымсыз болмайды. Жоғары серпімділік жағдай деген сұйық пен қаттының арасындағы жағдай. Полимердің жоғары серпімділік жағдайы макромолекуласының майысқақтығының нәтижесінде болады.

Әртүрлі жағдайдағы полимерлерінің макромолекулалары тізімделген, сөйтіп молекула үстілік құрылымға айналады. Полимерлер молекула үстілік түрлілілікке ие болады тек кристалдылықта емес, аморфты жағдайда да. Осы құрылымның біріншілікті элементтеріне ішке майысқан глобулалар немесе сыртқа майысқан сызықты макромолекулаларлық полимерлі молекулалар жатады. Глобулаларының контакты кезінде глобулярлы құрылымдар түзілуі мүмкін, оның құрамында 1000 дейін молекулалар болады екен. Сыртқа майысқан макромолекулалардың контакты кезінде сопақша пачкалар түзіледі, олар флюктуациялық табиғатқа ие – кейбір жерде жоғалады, кейбір жерде пайда болады, сонымен қатар ұзақ уақыт болады.

Қарапайым біріншілікті молекула үстілік құрылым – полимерлік тізбекті пачкалар – кристалдық емес және кристалдық полимерлерде кездеседі.Кристаллизация кезінде пачкалар «ленталарға» айналадым.

Көптеген молекула үстілік құрылымды академик В.А. Каргин төрт негізгі типке бөлді: глобулярлы (бір молекула немесе молекулалық топтың айналуы), сызықты (жоғары серпімді барлық полимерлерінің құрылымы), фибриллярлы (сызықшалы пачкалар), ірі құрылымды (сферолиттер, бір ғана кристалдар және т.б.).

Молекула үстілік құрылымдардың формасы мен мөлшері полимерлердің мығымдылығына үлкен әсерін тигізеді. Мысалы, кіші сферолиттердің үлгісі жоғары мығымдылыққа және жақсы серпімділікке ие, ал ірі сферолиттердің үлгісі бұзылады.

Жоғарыдағы жазылғандарға қарасақ, полимерлі материалдар құнды физико – химиялық қасиеттерге ие, оларды ғылым мен техниканың әртүрлі аймақтарында қолдануға болады, медицинада да.

СҰЙЫҚ КРИСТАЛДАР

Сұйық кристалдар дегеніміз сұйықтық және кристалдық қасиетке ие заттар.

Өзінің механикалық қасиетіне қарасан заттар сұйықтыққа ұқсайды – олар ағады. Сұйық кристалдардың оптикалық қасиеті анизотропты денелерге – кристалдарға ұқсайды: поляризация жазықтығын айналдырады, екі сәуленің сынуын анықтайды және т.б. Көбіне заттың сұйық кристалды қасиеті бір температурлы интервалда көрінеді, егер ол жоғары болса, онда ол аморфты – сұйық күйде болады, төмен болса – қатты–кристалды түрде болады.

Физикалық қасиетінің екі түрлілігі сұйық кристалдыңішкі құрылымына байланысты. Молекулалардың орналасуы аморфты жағдай мен қатты кристалдық жағдайдың арасындағы аралықта, яғни біреуінде алыс тізімділік мүлдем болмаса, екіншісінде молекулалардың орталық орналасуында алыс тізімділік бар. Сұйықты кристалдық жағдай таяқша немесе ұзын пластинкалы түрдегі заттарда байқалады.

Молекулалардың тізімділік көрінісіне байланысты нематикалық және смектикалық сұйық кристалдар болып бөлінеді. Нематикалық сұйық кристалдардың молекулалары паралелді орналасқан, бірақ олардың орталықтары шашылып орналасқан, олардың ішіндегі молекулалар жинақы орналасқан. Кристалдардың ерекше класына холестерикалық типті жатқызуға болады. Осындай кристалдардағы молекулалар, смектикалықтағыдай, қабаттарға жиналған. Бірақ әр қабаттың ішінде молекулалардың осьтерінің паралелді орналасуы нематикалық жағдайды еске түсіреді. Әр қабаттың ортасында тізбектелу бар: көрші қабаттарға ауысқан кезде сол қабаттың бұрышы өзгереді.

Холестеринді сұйық кристалдың молекулярлы құрылымы сыртқы әсерге өте сезімтал. Кішкене әсердің өзі әлсіз молекула аралық күшті бұзып, ол оптикалық қасиеттің өзгерісіне әкелуі мүмкін. Температура кристалдың түсіне үлкен әсер етеді, температураның әсерінен ол әртүрлі түсте болады – күлгіннен қызылға дейін. Сұйық кристалдың осы қасиеттерін дененің іртүрлі бөліктерінің температуралық өзгерістерін анықтау үшін қолданады.

Медицинада көк тамырлар, артериялар және басқа түзілістердің орналасуын орнықтыру үшін пайдаланады, олардың сыртқы ортаға қарағанда жылу бөлінуі ерекше. Сұйық кристалды заттарды түрлі температураға – сезімтал сигналды құралдар қолданады.

Сұйық кристалдардың молекулярлы құрылымы, олардың оптикалық құрылымы кейбір химиялық заттардың буының әсерінен өзгереді. Бұл сұйық кристалдарды осы заттардың аз мөлшерін анықтау үшін қолданады.

Сұйық кристалдың оптикалық қасиетін электрлік өрістің әсерінен өзгеруін анықтауда цифрлік индикатор ретінде құралдар және сағаттар қолданылады.

Сұйық кристалдарды тірі ағзаларда зерттеулер өте көп, аз зерттелінген, бірақ болашағы бар зерттеу.

ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДІҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТІ

Дененің орналасу нүктелерінің өзгеруі, оның түрінің және мөлшерінің өзгеруіне әкелетін болса, оны деформация деп атаймыз.

Деформациялар сыртқы әсердің ықпалымен шаұырылуы мүмкін (механикалық, электрлік немесе магниттік) немесе дене температурасының өзгеруінен. Мұнда денеге күш түсудің әсерінен туындайтын деформацияны қарастырамыз.

Қатты денедегі деформацияны мығым дейміз, күштің әсері кеткеннен кейін ол жойылады. Егер деформация күштің әсері жойылғаннан кейін қайтпаса, онда оны пластикалық деп атаймыз. Аралық,яғни деформация толық емес жойылса, онда оны мығым пластикалық деп атаймыз.

Деформацияның ең жай түрін созылу (басу) дейді. Ол, мысалы, стерженьнің осі бойынша күш түсіргенде стерженьде пайда болады. Егер стерженнің ұзындығы ұзарса, созылу деформациясының мөлшері болады және оны қатынасты ұзару деп атайды.

Деформацияның басқа түрі қозғалу. Тікбұрышты параллелепипедтің бір шекарасына түскен күш оның деформациясына алып келеді, сөйтіп қисық бұрышты параллепипедке айналдырады.

Денеге сырттан деформациялайтын күш түскенде атомдардың арасындағы арақашықтық өзгереді. Бұл кезде іште күш пайда болады. Ол атомдарды бастапқы қалыпқа әкелуге тырысады. Осы күшті механикалық күш(немесе жай кедергі) деп атайды.

Деформациялық созылу күшті σ стерженнің көлденең кесіндісінің күшінің ауданға қатынасын айтамыз:

σ = F/S

Қозғалу деформациясының күшін τ шекара ауданының күшіне қатынасы:

τ = F/S

Мығым деформациялар Гук заңына бағынады, онда күш деформацияға пропорционалды дейді. Екі көріністе (созылу-басу және қозғалу) олар былай жазылады:

σ = Eε және τ = Gγ

Мұнда Е – Юнга модулі, ал G – қозғалу модулі.

Созылудың тәжірибелік қисығы суретте келтірілген. ОА учаскесі мығым деформацияға сәйкес келіп тұр, В нүктесі мығымдылық шегі. Ол максималды кұшті көріністе болады. СD көлденең учаскесі аққыштықтың шегі болып табылады, ол кезде күштің жоғарылауысыз деформация күшееді. Соңғысы, ең жоғарңы күш түсу шыдамдығы, одан кейін бұзылу байқалады. Оны мықтылық шегі дейді.

Полимерлерге тән мығымдылықты каучук тәрізді серпімділік деп атайды (жоғары серпімділік).

Кейбір материалдардың механикалық қасиетінің берілгендері.

БИОЛОГИЯЛЫҚ ТІНДЕРДІҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ

Биологиялық тіндердің механикалық қасиеттері екі түрде болады. Біріншісі биологиялық жылжымалылық процесімен байланысты: жануарлардың бұлшықеттерінің жиырылуы, жасушалардың өсуі, жасушалардың бөліну кезіндегі олардың қозғалысы және т.б. Осы процестер химиялық процестермен негізделген және қуаттылық жағынан АТФ – пен қамтамасыз етіледі, олардың табиғатын биохимия курсында қарастырылады. Бұл топты биологиялық жүйенің белсенді механикалық қасиеттері деп атайды. Екіншісін – биологиялық денелердің пассивті механикалық қасиетері деп атайды. Бұл сұрақты биологиялық тіндерге қарастырып қоялық.

Техникалық объект ретінде биологиялық тін – композиционды материал, түрлі көлемді химиялық компоненттерден түзілген. Биологиялық тіннің механикалық қасиеттері әр компоненттің механикалық қасиетінен айырмашылығы бар. Биологиялық тіннің механикалық қасиетін анықтау әдістері техникалық материалдардың қасиеттерін анықтау әдістеріне ұқсас.

Сүйектің қызыл кемігі. Сүйек – тірек қимыл аппаратының негізгі материалы. Жеңілдетіп қарасан, сүйектің қызыл кемігінің 0,5 көлемі бейорганикалық материалдардан, сүйектің минералды заттарынан –гидроксилапатиттен 3Ca3(PO4)2 • Ca(OH)2 тұрады. Бұл заттар микроскопиялық кристалдар ретінде көрінеді. Басқасында сүйек органикалық материалдардан, ең басты коллагеннен (жоғары молекулярлы қосылыс, ақуыз, жоғары серпімділікті). Гидроксилапатиттің кристалдарыколлогенді талшықтардың (фибриллалар) арасында орналасқан.

Сүйек тінінің тығыздығы 2400кг/м³. Оның механикалық қасиеті көптеген факторларға байланысты, сонымен қатар жасқа, ағзаның индивидуалды өсуіне және де ағзаның учаскесіне байланысты.

Сүйектің композиционды құрылымы оған дұрыс механикалық қасиеттер береді: қаттылық, мығымдылық және мықтылық. Компактті сүйек тіні үшін σ = f(ε) тәуелділігі өзіне тән түрі болады. Аса үлкен емес деформация кезінде Гук заңы орындалады. Юнг модулі 10ГПа, шегі 100МПа. Осы берілгендерді капрон, армирленген шынының берілгендерімен сәйкестендіру пайдалы.

Компактты сүйектің қызыл кемігінің жылжымалылық қисығын көруге болады. ОА учаскесі тез деформацияланумен сәйкес, АВ – жылжымалылық. t1 уақытында В нүктесінде жүк алынып тасталды. ВС тез деформациялық жиырылуға сәйкес, СD – қайтымды жылжымалылық. Нәтижесінде ұзақ уақыт ішінде сүйектің үлгісі өзінің қалыпты мөлшерін қалпына келтіре ала алмады, кебір қалдықты деформациялар сақталған.

ТЕРІ. Ол коллаген, эластин талшықтарынан және негізгі тіннен - матрицадан тұрады. Коллагеннің 75%, ал эластиннің 4% құрғақ заттан тұрады.

Эластин өте қатты созылады (200-300% дейін), резина тәрізді. Коллаген 10% дейін созылады, ол капрон талшықтарына ұқсас. Осы берілгендерді қорыта келе, тері созылмалы-мығым, жоғары серпімділікті қасиеті бар материал болып табылады, ол жақсы созылады және ұзарады.

БҰЛШЫҚЕТТЕР. Бұлшықеттің құрамына дәнекер тіні кіреді, ол талшықтардан және эластиннен тұрады. Сондықтан бұлшықеттің механикалық қасиеті полимерлердің механикалық қасиетіне ұқсас.

Тегіс бұлшықеттердің релаксациялық күші Максвелл моделіне ұқсайды. Сондықтан тегіс бұлшықеттер ешқандай қиындықсыз созыла алады, осының әсерінен жыныс ағзаларының көлемдері ұлғаяды, мысалы қуық.

Қаңқа бұлшықетінің механикалық қасиеті Максвелл моделіне сәйкес. Бұлшықеттер тез созылғанда кернеулік жоғарылайды, біраз уақыттан кейін төмендейді.

Қаңқа бұлшықетінің σ = f(ε) тәуелділігі сызықшалы емес. Осы қисықтың талдауы мынаны көрсетеді, ε = 0,25 . Үлкен деформация кезінде молекулалардағы атом аралық арақашықтық ұзарады.

ҚАНТАМЫРЛАР ТІНІ (ТАМЫРЛЫҚ ТІН). Тамырлық тіннің механикалық қасиеті ең басты коллагеннің, эластиннің және тегіс бұлшықеттер талшықтарының қасиеттерімен анықталады. Тамырлық тіннің құрамына кіретіндер: ұйқы артериясында коллаген мен эластиннің қатынасы 2:1 болса, ал жамбас артериясыныңкі 1:2. Жүректен бастап тегіс бұлшықеттердің мөлшері ұлғая береді, ал артериолаларда олар тамырлық тіннің негізгі компоненті болып табылады.

Тамырлық тіннің механикалық қасиетін бөлшектеп зерттейтін болсақ айырамыз, қалай тамыр кесілгенін (ұзыннан немесе көлденен). Алайда тамырдың деформациясын іштен мығым цилиндрге түкен әсерден деп қарастыруға болады.

Қантамырдың цилиндрлік бөлігін ұзыннан l, қалыңдығынан h және радиусымен r қарастырайық. Цилиндрді көлденен және ұзынан кесеміз. Цилиндрлік тамырдың екі жартысын бір бірімен байланыстырамыз. Оның жалпы ауданы 2hl тең. Егер тамырлық қабырғада механикалық күш σ болатын болса, онда тамырдың екі жартысының байланысы мынаған тең:

F = σ • 2hl

Қысым арқылы күшті есептеу:

F=p • 2rl

Осы екі формуланы теңестіре отырып, мынадай аламыз:

σ = pr/h

Бұл Ламе теңдеуі.

Қорыта келе медицинаның бөлімдері мен бағыттарымен таныса кетейік, биологиялық тіндердің пассивті механикалық қасиетіне аса көңіл аудару керек:

- косметикалық медицинада, өйткені адам жаңа, тәжірибелі жағдайларда болады;

- спорттық медицинада нәтижесі жоғары және оның жоғарылауы спорттық медиктерді адамның тірек қимыл аппаратының физикалық мүмкіндігіне көңіл аударады ;

- тіндердің механикалық қасиеті гигиенисттерге вибрация әсерінен адамды қорғау туралы міндетті түрде көңіл аудару керек;

- өзінің ағзасын немесе тіндерін басқа жасанды ағзалар мен тіндерге алмастыру кезіндегі протездеуде биологиялық объектілердің механикалық қасиеттерін білу өте маңызды;

- соттық медицинада әртүрлі деформациялардың биологиялық құрылымына көңіл аудару өте маңызды;

- травматология мен ортопедияда ағзаға механикалық әсер ету мағызды болып келеді;