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Sandbox Physics
有序怎样形成,又怎样遇到阻碍

热 · 偶然 · 集体行为

一根长分子,怎样绕成一团

聚合物链团有多大,为什么不能只看链有多长?

沿链走一遍,与量它占多大地方,是两回事

一截松松放着的线,拉直很长,团起来却只占一小块地方。柔性聚合物分子也有这两种长度。沿着一个个化学键走完,得到轮廓长度;问它弯来弯去通常占多大区域,得到的则是链团大小。

多接一些链节,分子也多了拐回来的机会。它在空间里展开的距离,通常比完全拉直的长度长得慢得多。值得问的是一个统计问题:链不断换形状,平均而言,有效链段越多,链团会长大多少?

有效链段指走过一段距离以后,链大致忘掉原先方向的那一段长度,里面可以包含好几个化学键。把长分子换成许多这样的链段,就能先暂时放下局部化学细节,集中看一条长链怎样弯折、游走。

来源:[1][3]

理想游走可以重叠,真实链要避开自己

先想一条理想链,隔得足够远的链段,各自朝哪儿都不记得前面。向左、向右的步子会部分抵消,典型跨度只按链段数的平方根增长。链长变成四倍,通常展开的距离大约只变成两倍。这条随机游走规律,是比较真实长链的起点。

真实的孤立链还有一条限制:两段链不能占同一个体积。这叫排除体积作用,会阻止长链随意穿过自己。溶剂与链接触足够有利时,链愿意展开,这种溶剂称为良溶剂。自我回避会让链团比理想游走更蓬松。

三维良溶剂里,足够长的柔性链,其大小大致按链长的五分之三次方增长。更精细的计算给出的渐近幂次稍小一点。重要之处在于,局部不能重叠,竟会改变整条分子长大的规律。de Gennes 在 1972 年借用 Wilson 的方法,估计了这个并不平凡的幂次。

两条规律都没有规定一根链必须长成某个固定形状。分子随时在换姿势,规律描述的是许多形状中的典型大小。纸上画出一个线团,只是画出一种可能;要测统计关系,需要观察许多次。

来源:[3][4]

换一种环境,线团会换一种统计规律

溶剂会改变各种作用的平衡。处在所谓 theta 条件时,吸引与排斥以适当方式抵消,足够长的链在大尺度上接近理想链。聚合物熔体里,其他链又会屏蔽单条链的排除体积效应,也能出现近似理想的长程统计。同一种化学分子,在稀的良溶剂溶液与密集熔体里,可以有不同的链团规律。

1974 年,J. P. Cotton 与合作者用中子散射比较聚苯乙烯链在良溶剂、theta 条件及本体材料中的统计行为。中子散射到不同角度,对应探查不同距离上的结构。实验提取链段怎样分布的统计信息,让不断运动的长分子也能被定量比较。

看得太近,主要读到局部刚性与化学结构;看得太远,有限长度的链已经到头。中间合适的一段尺度,才容易显出简单的幂次关系。选对观察范围,尺度描述就有了实际用途。

来源:[4]

一条长链,接上了临界现象的方法

de Gennes 的关键一步,是找到自回避长链与一类集体有序模型之间的数学联系。研究临界现象的重整化群方法,于是可以拿来计算链统计。物理对象差别很大,统计数学上的对应却提供了一条新解题路线。

1991 年物理学奖表彰他把有序现象的方法推广到液晶与聚合物。长链的例子说明,这种推广很有用。有些分子细节只改变链团大小的整体尺度,有些条件则会改变它随链长增长的规律。柔软的长分子,也成了研究局部限制怎样影响整体行为的地方。

来源:[3][2]

来源与阅读说明

  1. Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter (Nobel lecture, 1991)

    把液晶与聚合物实例分开读,留意各部分中所列早期贡献者。

  2. The Nobel Prize in Physics 1991

    授奖理由关注把有序方法推广到复杂物质,特别是液晶与聚合物。

  3. Pierre-Gilles de Gennes, Exponents for the Excluded Volume Problem as Derived by the Wilson Method (1972)

    分清论文中的均方伸展量与典型长度所用的幂次。

  4. J. P. Cotton and colleagues, Experimental Determinations of the Excluded-Volume Exponent in Different Environments (1974)

    比较良溶剂、theta 溶剂及本体材料,以及推断链统计所用的中间散射区间。

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