تکامل پلیمر های هوشمند

بازتاب های تکامل پلیمرهای هوشمند

از زمانی که استودینگر اثبات کرد که پلیمرها مولکول های زنجیره بلند با پیوندهای کووالانسی بین واحدهای تکرار شونده هستند، این حوزه از دانش به طور قابل ملاحظه ای پیشرفت کرده است. علاوه بر نقش های ساختاری بی شمار، پلیمرها برای بیان رفتار پاسخ به محرک ها "هوشمندانه" ساخته شده اند. این مقاله تکامل کلاس های منتخب پلیمرهای هوشمند من جمله پلیمرهایی که به تغییرات pH، دما، نور و محرک های مکانیکی پاسخ می دهند و همچنین پلیمرهای خودسوز و کاربرد آنها در دارورسانی، حسگرها و محرک ها را شرح می دهد. علاوه براین، به پیشرفت های گسترده در شیمی پلیمر اشاره می کند که موجب پیشرفت بیشتر این علم در 20 سال گذشته شده است. از طرفی، در مورد اینکه آیا دستاوردهای مهم در این زمینه قابل پیش بینی بودند یا خیر، یا اینکه علم پلیمر در آینده بعنوان یک علم مستقل یا یک ابزار خدماتی ارائه می شود بحث می کند. در ادامه، برخی از احتمالات در تکامل این حوزه طی 20 تا 30 سال آینده را تفسیر خواهد کرد.

در سال 1922، هرمان استودینگر برای اولین بار اصطلاح "ماکرومولکول ها" را برای توصیف زنجیره های بلند پلیمری با پیوندهای کووالانسی بین واحدهای مونومر تکرار شونده به کار برد. قبل از آن، دانشمندان مدتها بود که خواص مواد پلیمری طبیعی و مشتقات آنها همچون لاستیک طبیعی ولکانیزه و نیتروسلولز را بیان می کردند. در سال 1907، باکلند به تراکم کنترل شده فنل و فرمالدئید برای تولید رزین های ترموست دست یافت. این اولین مواد پلیمری کاملآ مصنوعی پس از پخت، بعنوان عایق های الکتریکی بودند که عملکرد خوبی داشتند و زمینه را برای پیشرفت در مهندسی برق و برق رسانی فراهم کردند. با این حال، علیرغم اینکه دانشمندان به نقش مهم زنجیره های پلیمری طولانی با وزن مولکولی بالا را در بیان خواص منحصر به فرد پلیمرها نسبت به همتایان مولکولی کوچک آنها پی برده بودند، اما آن را درک نکرده بودند. با استفاده از مفاهیم شیمی کلوئیدی معرفی شده توسط گراهام، می توان خواص پلیمر را به خودآرایی مولکول های کوچک بدون پیوند کووالانسی نسبت داد. در اوایل دهه 1900، پیکلز فرضیات خودآرایی را زیر سؤال برده و وجود پیوندهای کووالانسی بین مونومرهای ایزوپرن در لاستیک طبیعی را بدون در نظر گرفتن وزن مولکولی آنها پیشنهاد کرده بود. همچنین، فیشر اثبات کرد که پروتئین ها از طریق پیوند کووالانسی بین واحدهای اسید آمینه تشکیل می شوند اما از وجود مولکول های بزرگتر از 5000-4000 گرم در مول تردید داشت. اگرچه بعدآ شواهد قانع کننده ای به دست آمد، در سال 1920 استودینگر پیشنهاد کرد که پلیمرهایی مانند پلی اکسی متیلن و پلی استایرن از زنجیره های پلیمری بلند حاوی تعداد بسیار زیادی واحد پایۀ مولکولی تشکیل شده اند که بعدآ مونومر نامیده شده و با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده اند. این مفهوم که در آن زمان نوعی انقلاب در این علم محسوب می شد، به چالش کشیده شد اما استودینگر پتانسیل آن را کشف کرده و گفت که دیر یا زود راهی برای تهیۀ الیاف مصنوعی از محصولات مصنوعی با وزن مولکولی بالا کشف خواهد کرد زیرا استحکام و کشش الیاف طبیعی منحصرآ به ساختار ماکرومولکولی آنها؛ یعنی به مولکول های باریک و بلند آنها بستگی دارد. استودینگر همچنین ضرورت مفهوم ماکرومولکول های زنجیره بلند را درست پیش بینی کرد.

درک ساختار مولکولی پلیمرها راه را برای طراحی معقول و تولید صنعتی بسیاری از پلیمرهای مهم در چند دهه آینده هموار کرد. برای مثال، یک سنتز فشار بالای تکرارپذیر برای پلی اتیلن در صنایع شیمیایی امپریال توسعه یافت که مبنایی برای تولید صنعتی پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) شد. لاستیک نئوپرن و نایلون 6-6 در دوپون با تلاش های کاروتر توسعه یافتند؛ در حالی که چالک مدت کوتاهی پس از آن، نایلون 6 را در آی جی فاربن توسعه داد. لاستیک بوتیل توسط اسپارکس و توماس در استاندارد اویل توسعه یافت. در چند دهه بعد، فلوری پیشرفت های نظری و تجربی زیادی در شیمی فیزیک ماکرومولکول ها داشت. در سال های اولیه، ماکرومولکول های مصنوعی عمدتآ نقش های ساختاری همراه با عملکردهای ساده اما ارزشمندی من جمله ایجاد مقاومت سایشی یا در برابر مواد شیمیایی، نفوذ ناپذیری آب و هوا داشتند. از آن زمان، پلیمرها برای انجام نقش های ساختاری چالش برانگیزتر و عملکردهای پیچیده تر توسعه یافتند. برای مثال کِولار بعنوان آرامیدی که اولین بار در اوایل دهه 1970 تجاری شد و اکنون در جلیقه های ضد گلوله و لاستیک های دوچرخه استفاده می شود، نسبت استحکام کششی به وزن بسیار بالایی دارد. پلی استرهای زیست تخریب پذیر مانند پلی (اسید گلیکولیک) و پلی (اسید لاکتیک) در بخیه های جذبی و رهاسازی کنترل شدۀ داروها در داخل بدن استفاده می شوند. امروزه، نقش هوشمند پلیمرها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پلیمرهای هوشمند یا پاسخگو به محرک های محیطی من جمله تغییرات دما، pH، نور، سیگنال های الکتریکی یا مغناطیسی، و یا نیروهای مکانیکی واکنش نشان می دهند. پاسخ پلیمر را می توان به عملکردهایی مانند رهاسازی داروها یا تحریک ترجمه کرد. ین مقاله به بررسی تحولات مهمی در زمینۀ پلیمرهای هوشمند می پردازد. نقش شیمی پلیمر بعنوان ابزاری برای سایر رشته ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت؛ اینکه آیا این پیشرفت ها در 20 تا 30 سال آینده همچنان مورد توجه خواهند بود یا خیر؟

پیشرفت های منتخب در پلیمرهای هوشمند

توسعه پلیمرهای پاسخگو به محرک ها تا حد زیدی از میل به تقلید از قابلیت طبیعت در تعامل و واکنش به محیط پیرامون الهام گرفته شده است. برای مثال، اتصال یک آگونیست مولکولی کوچک به یک گیرندۀ سطح مولکولی می تواند باعث ایجاد مجموعه ای از رخدادهای بیوشیمیایی شود که در نتیجه، منجر به مرگ سلولی یا تولید یک پروتئین خاص می شود. پلیمرها می توانند چنین فرایندهایی را تقلید کنند؛ البته به روشی ساده تر و با پاسخ به محرک های محیطی که اغلب به صورت تغییر در حلالیت، شکل، اختلال یک تشکیل یک مجموعه فوق مولکولی، انتقال سل به ژل یا سایر تغییرات در جنبه های دیگر ساختاری یا خواص پلیمری ظاهر می شوند. بسیاری از محرک های مختلف بعنوان محرک های پلیمرهای هوشمند مورد بررسی قرار گرفته اند، اما در اینجا چند نمونه را انتخاب کرده ام که به نظر من در این زمینه تأثیرگذار بوده اند و همچنان هم به روش های جدید و خلاقانه استفاده می شوند. بسیاری از پلیمرهای حساس به pH، اولین نمونه از پلیمرهای پاسخگو به محرک بودند که امروزه نیز بسیار گسترش یافته اند. باتوجه به بخش الف از شکل زیر، اکثر آنها براساس گروههای یونیزاسیون پذیر مانند اسیدهای ضعیف (من جمله اسید کوبوکسیلیک) یا بازها (من جمله گروه آمینه) هستند که با تغییر در pH دچار تغییر در حالت پروتوناسیون می شوند.

شکل 1:

تغییر در بار پلیمر منجر به تغییر در خواص ترکیب، حلالیت یا رفتار تورم می شود. در اواخر دهه 1940، کاتچالسکی و همکارانش نشان دادند که شکل پلی اسیدها و پلی بازها به میزان یونیزاسیون آنها و بارگیری که منجر به دافعه های الکترواستاتیکی، علاوه بر انبساط و انقباض زنجیره های پلیمر می شود بستگی دارد. تعداد زیرادی از پلیمرهای پاسخگو به pH مورد بررسی قرار گرفته اند و می توان رفتار وابسته به pH آنها با تنظیم گروههای قابل یونیزاسیون و از طریق تهیه کوپلیمرهای تصادفی و بلوکی تنظیم کرد.با توجه به بخش دوم از این شکل،استال ها نیز بعنوان گروههای آویز پلیمری ترکیب شده اند که در آن، هیدرولیز آنها گروههای عامل آویز جدیدی را نشان می دهند که منجر به انتقال حلالیت می شود. در بخش سوم نیز گروههای حساس به اسید نیز در امتداد ستون فقرات پلیمری گنجانده شده اند که در نتیجه، منجر به تجزیۀ پلیمر به مولکول های pH کوچک با کاهش تغییر دما می شوند.

در کل، علم پلیمر با اولین دستاوردهای استودینگر از ساختارهای ماکرومولکولی به سرعت تکامل یافته است. از آنجا که بسیاری از زمینه های مختلف تحقیقاتی در حوزه علم پلیمر در قرن گذشته ظهور کرده اند، اما یکی از حوزه های بسیار قابل توجه "پلیمرهای هوشمند" است که بسیاری از نمونه های آن را می توان در همان روزهای ظهور این علم پیدا کرد. معماری پلیمری کاربردهای مختلفی از پلیمرهای هوشمند، از دارورسانی گرفته تا حسگرها و محرک ها را نشان می دهد. برخی از این سیستم ها تجاری سازی شده اند و برخی دیگر نیز در حال پیشرفت هستند. به نظر می رسد حوزه تحقیقات ماکرومولکولی برای ادامۀ بررسی چالش های مهم اجتماعی مانند سلامت انسان و محیط زیست به آمادگی کامل رسیده باشد.