Language
Country/Area
No result found
Тайна нижней критической температуры растворения: почему некоторые смеси полностью смешиваются только при определенных температурах?
Ученые давно интересуются нижней критической температурой растворения (НКТР), то есть температурой, ниже которой компоненты смеси могут быть полностью смешаны, но выше которой они становятся частично смешанными. Явление растворения. Это явление широко распространено во многих малых молекулах и полимерных системах и тесно связано с их молекулярными структурами, взаимодействиями и другими факторами.
«Ниже НКТР система полностью смешивается во всех пропорциях, тогда как выше она демонстрирует частичную смешиваемость жидкостей».
Понимание концепции LCST
Чтобы глубже понять концепцию НКТС, нам нужно рассмотреть, чем она отличается от других фазовых поведений. Для многих смесей на явления смешивания влияют как энтропия, так и энтальпия. Однако в случае НКТС явление разделения часто вызвано неблагоприятной энтропией. Это означает, что ниже НКТР взаимодействия между компонентами способствуют спонтанному смешиванию, тогда как выше НКТР происходит разделение фаз, что напрямую связано со знаком изменения свободной энергии Гиббса.
Взаимодействие полимера с растворителем
В растворах полимеров факторы, влияющие на НКТР, включают молекулярную массу полимера, степень полимеризации полимера и степень разветвленности. Наиболее известным является водный раствор поли(N-изопропилакриламида), НКТР которого обычно считается равной около 32 °C, но на самом деле она может варьироваться в зависимости от таких факторов, как концентрация полимера и молекулярная масса. Такие изменения делают прогноз НКТР тесно связанным со свойствами полимера.
«Необходимость отбора и проектирования полимеров побудила нас провести обширные исследования НКТС с целью поиска решений, которые можно применить в производственном процессе».
Физическая основа и движущие факторы
Ключ к возникновению НКСТ кроется в физических факторах. Для систем, содержащих большие молекулы, эффекты сжимаемости могут приводить к явлениям НКТР. Если взять пример полистирола в циклогексане, то растворитель и полимер демонстрируют разное поведение при расширении под высоким давлением, поэтому при высокой температуре растворитель должен сжиматься и терять энтропию, чтобы достичь условий смешивания.
Теоретическая модель и метод прогнозирования
В статистической механике НКТС можно моделировать с помощью теории модели решеточной жидкости, которая учитывает эффекты переменной плотности и сжимаемости. Благодаря этим теориям мы можем лучше понимать и прогнозировать НКТР различных смесей. В то же время в настоящее время существует множество методов прогнозирования НКТР, включая модели, основанные на экспериментальных данных, и эмпирические уравнения, основанные на физико-химических свойствах. Недавно были предприняты попытки ввести в модель индексы молекулярной связности, и этот подход продемонстрировал свой потенциал в исследованиях полимеров и полимерных растворов с использованием методов QSPR/QSAR, что позволило эффективно прогнозировать НКТР до проведения экспериментов.
«Исследования QSPR/QSAR могут не только сократить расходы на пробы и ошибки, но и ускорить разработку новых материалов».
Будущие направления исследований
Исследования НКТС все еще продолжаются, и в будущем могут быть изучены другие комбинации полимерных систем и их смешанное поведение. С развитием материаловедения и появлением новых технологий будут продолжать появляться новые полимерные или низкомолекулярные системы, сочетающие поведение НКТР. Это не только оказывает глубокое влияние на фундаментальные научные исследования, но и открывает больше возможностей для прикладной науки.
Вдохновляют ли нас химические и физические законы, лежащие в основе этих исследований, переосмыслить поведение смесей в изменяющейся среде?
