Sürüngen Moleküller

Evlerimizin dış ve iç duvarlarının veya otomobillerimizin kaportalarının nasıl boyandığını ve bu boyanın nasıl dayanıklı olabileceğini hiç düşündünüz mü? Fotokopi makinasından veya bilgisayar yazıcısından çıkan renkli veya siyah-beyaz şekillerin ya da yazıların nasıl oluştuğunu hiç merak ettiniz mi? Her gün kullandığımız kap kacağın, büro ve ev eşyalarının bir takım tozların kalıplara dökülmesi ile elde edilebildiğini mutlaka biliyorsunuzdur. Çatlayan plastik bir oyuncağın veya bir su borusunun belli bir sıcaklığa getirilerek nasıl onarılabileceğini herhalde tahmin edebilirsiniz. Öte yandan, çevre bilincinin geliştiği bu günlerde, çevreye barışık su bazlı boya endüstrisinin nasıl kurulabileceği ve girdilerinin ne olacağı önemli bir endüstriyel problemdir. Çünkü su bazlı boyalarla kaportaların antikorozyon kaplanması istenmektedir. Yani hem çevre dostu hem araba dostu boyalar istenmektedir. İşte tüm bu endüstriyel kazanımların ve kolaylıkların arkasında çok heyecanlı bir akademik birikim vardır.

Yukarıda sıraladığımız tüm örneklerde görev yapan dev moleküllere biz ��polimer�� diyoruz. Eğer hidrojen atomunun kütlesi bir alınırsa, polimer molekülünün kütlesi 50000, 100000 veya 1000000 olabilir. Bu kadar büyük moleküllerin hareketlerinin de hidrojen veya oksijen molekülü gibi basit olmayacağını tahmin edebilirsiniz.

Polimer molekülü genelde bir sürü karbon atomunun dizildiği bir ��belkemiği��nden meydana gelir ve en genelde bu karbonlara hidrojenler bağlanmıştır. Bu polimer zincirleri katı fazdayken bir tencere içersindeki spagetti görünümündedir. Polimer katı belli bir sıcaklığın üstünde ısıtılırsa bel kemiği hareket etmeye başlar. Bu sıcaklığa ��camsı geçiş�� sıcaklığı denir. Bu sıcaklığın altında, polimer katı bir cam gibi serttir. Bu sıcaklığın üstünde ise polimer lastiksi yapıdadır. Polimer katı daha da ısıtılır ise akar ama ne kadar ısıtılırsa ısıtılsın buharlaşamaz. Polimerlerin bu camsı sıcaklığı onların molekül ağırlığına da bağlıdır ve bu yüzden kesin bir geçiş sıcaklığından bahsetmek mümkün değildir. Polimer molekülü camsı sıcaklık üstündeki sıcaklıklarda, bel kemiğini ileri geri hareket ettirerek bir sürüngen gibi hareket eder. Bu hareket her tarafa uçuşan küçük moleküllerin hareketine hiç benzemez. Nobel ödüllü de Gennes�in modeline gore; polimer zinciri, diğer polimer zincirlerinin, onun yana doğru hareketini engellemesi sonucu oluşturduğu hipotetik bir tüpün içindeki bir yılan gibidir. Yani bu tüp polimer zincirlerin dolaşmışlığı sonucu oluşmuştur. Polimer zinciri bu tüpün içinde keyfi olarak ileri ve geri hareket ederek, tüpü baş ve uç noktalarından terk etmeye başlar. Belli bir süre sonra baş ve uçtaki küçük zincirler büyür ve sonunda bütün zincir tüpü terk eder ve başka bir tüp oluşturur. Böylece bu dev moleküller, camsı sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda polimer katının içerisinde gezintiye çıkarlar.

Günlük endüstriyel yaşantımızda; örneğin fotokopi mürekkebinin, kağıdın üzerine yapışıp ısıl işleme tabi olduğu zaman süresi içinde de bu hareketler oluşur. Otomobil kaportasının boyanması sırasında da polimer zincirleri yine bu sürüngen hareketi yaparlar. En genelde polimer zincirler micron veya nano metre büyüklüğündeki küreler içerisinde bulunurlar ve bu küçük küreler su veya organik çözücülerde dağıtılabilirler. Daha sonra çözücü buharlaşmaya bırakılırsa küreler sıkı paketlenerek film oluştururlar. Eğer kuruma sıcaklığı, T k camsı geçiş sıcaklığından, T g büyük ise bu küreler polihedronlar oluştururlar. Eğer T k, T g den küçük ise polimer küreler bir toz film oluşturur. Her iki durumda da oluşan bu ilkel filimler tavlanırsa polimer küreler kaybolur. Yani polihedron ara kesitlerde polimer zincirler geçiş yaparak sınırları yok ederler. Toz filimde ise tavlama sonucu, ilk önce katı polimer akarak boşlukları doldurur. Sonra tavlama sıcaklığı daha da arttırılırsa polimer zincirler sürünerek arakesitleri geçerler. Sonuç olarak sınırlar kaybolur ve mükemmel, dayanıklı bir film oluşur.

Geçirmeli elektron Mikroskop�u (GEM) film oluşumunun çalışılmasında önemli bir aygıttır. Dondurup kesme yöntemi de film oluşum sürecini çalışmada kullanılabilir. Bu yöntemde lat film sıvı azotta (-180 0C) dondurulur sonra bir jilet ile kesilip GEM ile fotoğrafı çekilir. Küçük açılı nötron saçılma (KANS) ve zaman çözümlü floresans (ZÇF) yöntemleri de film oluşum süreçlerinin çalışıldığı tekniklerdir. Ancak bu tekniklerin kullanılması için polimer zincirleri döteryum ve/veya organik floresan moleküllerle etiketlenmelidir. Böylece örneğin floresans ışığı takip ederek polimer zincirinin gezintisi gözlemlenebilir. Bu son yöntem polimer zincirlerinin hareketini moleküler düzeyde inceler yani 5 ile 50 A 0 arasındaki mesafelerde zincirlerin ne yaptığını anlayabilir. KANS yöntemi ZÇY göre çok daha pahalı ve deneyleri zaman alıcıdır. Çünkü bir atom reaktörüne ihtiyaç vardır. Bu yöntemleri kullanarak polimer zincirlerin difüzyon katsayıları (10 -11-10 -15 cm 2s -1) ve zincir bel kemiğinin hareketi için gerekli aktivasyon enerjisi (30-100 kcalmol -1) tayin edilebilir. Bu değerlerin bilinmesinde akademik olduğu kadar endüstriyel talepler de fazladır. Örneğin püskürtmeden sonra kaportanın ne kadar tavlanacağı veya polimerin molekül ağırlığının ne olacağı yukarıdaki parametrelerin bir ölçüsüdür. Aynı şekilde dayanıklı bir fotokopi filiminin ihtiyacı olan parametreler de bu yöntemlerle tayin edilebilir.