اختراع پلیمرها در شیمی

چه کسی پلیمرها را در شیمی اختراع کرد؟

دانشمندان، مهندسان و مخترعان مختلف را می توان به کشف پلیمرهای طبیعی و اختراع پلیمرهای مصنوعی نسبت داد.

با این حال، هرمان استودینگر اولین کسی بود که پیشنهاد کرد پلیمرها از مولکول‌های زنجیره بلند با زیرواحدهای تکرار شونده تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند.

پلیمرها زنجیره‌ای از مولکول‌ها هستند که دارای زیر واحدهای تکرار شونده به نام مونومر هستند. پلیمرهای طبیعی به‌عنوان مولکول‌های کاربردی برای فرآیندهای مختلف زندگی و به‌عنوان پشتیبان ساختاری عمل می‌کنند، در حالی که پلیمرهای مصنوعی برای تولید مواد دست‌ساز مانند پلاستیک استفاده می‌شوند.

منشا علم پلیمر

قرن هاست که انسان ها از پلیمرهای طبیعی برای اهداف مختلفی از جمله بافتن پارچه برای لباس، ساختن طناب و ساخت سرپناه استفاده می کرده اند. علیرغم این سابقه طولانی، علم پلیمر در واقع یک زمینه مطالعاتی نسبتاً جدید است.

در دهه 1830، دانشمندانی مانند هانری براکونوت و کریستین شونبین شروع به تولید مشتقات از سلولز کردند. آنها قادر به تولید مواد پلیمری نیمه مصنوعی مانند سلولوئید و استات سلولز بودند که معمولاً در فیلم های عکاسی استفاده می شد.

سپس، در سال 1833، یونس یاکوب برزلیوس اصطلاح “پلیمر” را ابداع کرد. اگرچه او نتوانست هیچ اکتشاف مهمی در پیشرفت علم پلیمر انجام دهد، حداقل نامی برای آن گذاشت.

پیشرفت‌های مهم در سنتز پلیمر تنها پس از اکتشافات مستقل توسط فردریش لودرسفورف و ناتانیل هیوارد در دهه 1840 ممکن شد. آنها مشاهده کردند که چگونه افزودن گوگرد به لاستیک خام باعث تثبیت مواد و کاهش چسبندگی آن می شود. صنعت گران به سرعت از این پیشرفت علمی بهره بردند و شروع به تولید انبوه لاستیک تجاری کردند.

در سال 1843، توماس هنکوک برای روش خود در ولکانیزاسیون لاستیک با افزودن گوگرد و قرار دادن آن در معرض حرارت، حق امتیاز انگلستان را دریافت کرد. چند هفته بعد، چارلز گودیر یک حق اختراع جداگانه در ایالات متحده برای همان فرآیند دریافت کرد.پیشرفت های بیشتر در علم پلیمر در سال 1884 زمانی که هیلر دشاردون روشی را برای سنتز الیاف مصنوعی از گیاهان با بازسازی سلولز ایجاد کرد. او ابریشم مصنوعی ویسکوز را به عنوان جایگزینی برای پارچه ابریشمی اختراع کرد.

چند دهه بعد، در سال 1907، لئو باکلند اولین پلاستیک مصنوعی را اختراع کرد. آن را باکلیت – یک رزین فنل فرمالدئید گرما سخت نامیدند.

پلیمرهای طبیعی و کاربردهای اولیه

نمونه هایی از پلیمرهای طبیعی که ارزش اقتصادی دارند سلولز، نشاسته و لاستیک هستند.

از این نوع پلیمرها برای ساخت مواد مختلف از جمله لباس و لاستیک استفاده می شود. به عنوان مثال، پنبه، که یکی از متداول ترین مواد برای ساختن نخ و پارچه است، عمدتاً از سلولز تشکیل شده است.

هرمان استودینگر
علیرغم پیشرفت‌های اولیه در سنتز پلیمر، کارشناسان هنوز متوجه نحوه تشکیل و ساختار مولکول‌های پلیمری نشده‌اند. این هرمان استودینگر در سال 1922 بود که برای اولین بار این ایده را مطرح کرد که پلیمرها از زنجیره های بلندی از اتم ها تشکیل شده اند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده اند.

با این حال، کار او روی پلیمرها فوراً شناخته نشد. بیش از یک دهه طول کشید تا مقبولیت گسترده ای در جامعه علمی به دست آورد. او بعداً در سال 1953 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.

قبل از کشف استودینگر، دانشمندان به نظریه تداعی توماس گراهام، که به عنوان نظریه کل نیز شناخته می شود، اعتقاد داشتند. در سال 1861 گراهام پیشنهاد کرد که پلیمرهایی مانند سلولز در واقع کلوئید هستند – مجموعه‌ای از مولکول‌ها با وزن‌های مولکولی کوچک که توسط یک نیروی بین مولکولی هنوز کشف نشده به هم متصل می‌شوند.

پیشرفت در پلیمرهای مصنوعی

قبل از اختراع پلیمرهای مصنوعی، شیمیدانان و صنعت گران هنگام ایجاد مواد جدید به پلیمرهای طبیعی موجود مانند سلولز اعتماد می کردند.

پیشرفت در پلیمرهای مصنوعی زمانی اتفاق افتاد که کارشناسان نحوه اتصال مونومرها را برای تشکیل پلیمرها کشف کردند. این کشف سپس امکان ساخت پلاستیک و الیاف مصنوعی را فراهم کرد.

برخی از رایج ترین انواع مونومرهای پلاستیکی عبارتند از:

اتیلن
پروپیلن
استایرن
فنول
رزین فرمالدئید
اتیلن گلیکول
وینیل کلرید
استونیتریل
والاس کاروترز و نایلون
نایلون به گروهی از پلیمرهای مصنوعی مشتق شده از ستون فقرات آمیدی اطلاق می شود که با پیوند دادن گروه های آلیفاتیک یا نیمه آروماتیک سنتز می شوند. این محصول توسط شیمیدان و مخترع آمریکایی والاس کاروترز و گروهی از محققان در DuPont ساخته شده است.

کار آنها، که بر اساس نظریه های هرمان استودینگر بود، یک دوره 11 ساله بین سال های 1927 و 1938 را در بر گرفت. خواص فیزیکی نایلون را می توان با ترکیب مواد افزودنی مختلف تغییر داد.

سایر پلیمرهای مصنوعی و مخترعان

والاس کاروترز تنها کسی نبود که پلیمر مصنوعی را اختراع کرد. بسیاری از محققان دیگر بسیاری از پلیمرهای مصنوعی مدرن را که امروزه استفاده می کنیم، از جمله پلی اتیلن، پلی استر، تفلون و کولار کشف کردند.

پلی اتیلن اولین بار (به طور تصادفی) توسط شیمیدان آلمانی Hans von Pechmann در سال 1898 سنتز شد. در همین حال پلی استر توسط محققان DuPont به رهبری W.H. اختراع و ثبت شد. کاروترز در دهه 1930. و روی جی. پلانکت در سال 1938 در حین کار در آزمایشگاه جکسون دوپونت به طور تصادفی تفلون را اختراع کرد.

کولار، خانواده ای از الیاف مصنوعی با استحکام استثنایی، توسط استفانی کولک در سال 1965 اختراع شد. اگرچه احتمالاً به دلیل استفاده در جلیقه های ضد گلوله بسیار معروف است، این ماده بیش از 200 کاربرد مختلف دارد. اینها شامل موادی برای قایق، هواپیما، طناب و کابل است.

علم و فناوری مدرن پلیمر

علم و فناوری مدرن پلیمر بر ایجاد مواد و متا مواد جدید با اجزای نانو متمرکز است. این مواد فقط به کاربردهای صنعتی مانند پلاستیک محدود نمی شوند. آنها همچنین در علم پزشکی کاربرد دارند.

به عنوان مثال، بیوتکستایل ها در تحویل داروی دقیق و همچنین دریچه های قلب، گرافت ها، فتق ها و مش های ترمیم پرولاپس استفاده می شوند.

در حالی که پلیمرهای مدرن معمولاً به عنوان مواد مستقل استفاده می شوند، می توانند با مواد دیگر نیز ترکیب شوند. به عنوان مثال، موتورها و اتومبیل‌های با کارایی بالا اغلب با استفاده از مواد پلیمری مرکب ساخته می‌شوند، مانند دستگاه‌های مصنوعی و اندام‌های مصنوعی.

نتیجه

پیشرفت در سنتز یا استخراج مواد جدید از پلیمرهای طبیعی موجود در اوایل دهه 1830 انجام شد. با این حال، تا سال 1922 بود که هرمان استودینگر متوجه شد که پلیمرها زنجیره‌ای از اتم‌ها یا واحدهای تکراری هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند. این درک راه را برای اختراع پلیمرها و مواد مصنوعی جدید هموار کرد. امروزه پلیمرهای مصنوعی کاربردهای صنعتی و پزشکی وسیعی دارند.