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.