Utilisateur:Apach/Physique des polymères
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La physique des polymères s'intérresse aux propriétés des matériaux formés de longues molécules, assemblages en chaînes de dizaines de molécules élémentaires, les polymères. Ces molécules peuvent être observées à l'état solide, liquide, en solution, où confinés à une interface. Leurs propriétés physiques très particulières ont conduit au développement d'outils théoriques spéficiques et à l'apparition d'une nouvelle branche de la physique aux nombreuses applications.
Sommaire |
[modifier] Polymères en solution
Les premiers éclairages théoriques importants concernant les polymères fondus ou en solution ont été fournis par la physique statistique. Du fait de la géométrie particulière des molécules, on comprend aujourd'hui mieux leurs propriétés que certains liquides "simples" comme l'eau.
[modifier] Polymères gaussiens
C'est le modèle physique le plus simple décrivant les polymères. On considère que chaque monomère est de longueur fixée a et orienté aléatoirement, toutes les directions étant équiprobables. Ainsi, la géométrie d'une chaîne est équivalente à celle d'une marche aléatoire simple à 3 dimensions. Comme dans ce dernier cas, la distance entre les deux extrémités suit une loi normale, d'où le nom du modèle. Ainsi, ce modèle néglige toutes les interactions entre monomères pouvant induire des corrélations entre les orientations. La propriété la plus importante qui se dérive immédiatement est l'expression du rayon de gyration Rg de la chaîne :
où N est le nombre total de monomères. Bien que les interactions y soient importantes, les polymères fondus sont ceux qui vérifient le mieux cette statistique. En effet le milieu y est homogène, et en première approximation l'environnement de tous les monomères est identique.
[modifier] Polymères réels
En général, les interactions entre monomères proches dépendent de leur orientation relative et donc le modèle gaussien donne de mauvais résultats. Les forces pouvant entrer en jeu sont :
- Les forces de Van der Waals
- Les forces de répulsion à courte portée entre atomes
- Les forces électrostatiques (cas de monomères chargés)
Les forces de Van der Waals et électrostatiques dépendent fortement du solvant utilisé et de la température. En général, il existe une température, habituellement notée θ, où les effets des interactions se compensent en moyenne. On dit que le polymère est en bon solvant si T > θ. Lorsque T > > θ, les interactions attractives sont négligeables et on peut estimer le potentiel répulsif par un coeur dur.
Le comportement des polymères en bon solvant a été étudié initialement par Flory. Expérimentalement, on observe une dépendance du rayon de giration similaire à celle prédite par le modèle gaussien, mais avec un exposant de Flory ν :
avec :
La valeur 0.588 est universelle (dans la limite du bon solvant) et ne dépend que de la dimension de l'espace. Par exemple, pour des polymères confinés sur une droite, il est évident que ν = 1. Par des méthodes statistiques compliquées, on montre qu'en dimension deux : ν = 0.75. Les résultats modernes sur ce sujet sont liés à la théorie des marches aléatoires auto-évitantes.
[modifier] Polymères purs
[modifier] Polymères fondus
[modifier] Polymères solides
[modifier] Polymères greffés
On dit que des polymères sont greffés sur une surface lorsque l'une des extrémités de la chaîne y est maintenue par une liaison chimique, le reste étant libre dans le solvant. Au delà d'une certaine densité, les chaînes voisines vont interagir de façon non isotrope. Les polymères sont alors étirés par l'encombrement. On montre que, si σ est la densité surfacique de polymères, l'épaisseur vérifie la loi d'échelle :
La présence de la couche de polymères greffés crée un potentiel répulsif au voisinnage de la surface. Ainsi, des suspensions colloïdales peuvent être stabilisées.
[modifier] Polymères biologiques
Article détaillé : Polymère biologique.Il s'agit essentiellement de l'ADN, de l'ARN et des protéines. Plusieurs caractéristiques importantes rendent leur étude différente.
