MAKROMOLEKÜL  MİMARİSİ

Polimer dünyasında makromolekül sözü bu sistemlerin uzun anlamında çok büyük olduğunu ifade eder. Zinciri meydana getiren öğelerin (eklentilerin) cesametleri, geometrileri, toplam uzunluğu ve polarizasyonları polimer zincirinin davranışlarını limitler.   Deformasyona bu nedenle farklı tepkiler verirler. Bizde bu farklı tepkilerin nedenlerini anlamaya ve incelemeye çalışalım.

Öncelikle termodinamik yasalar manzumesini bir kural koyucu olarak inceleyelim. Tabiatta bulunan her türlü biolojik, kimyasal, fiziki, mekanik ve adını henüz bilmediğimiz her türlü enerji aktarımı içeren olayı termodinamik kurallar denetler. Tüm olaylar bu kurallara göre işlemek zorundadır. Eğer bu kurallar olmasaydı tabiat var olamazdı. Yaratılışın en büyük sırrı buradadır esasen. Yaratılışın ispatı da termodinamiğin varlığıdır. Nedir bu kurallar? İlki, kainatta var olan madde ve enerji miktarı sabittir. Yani azalmaz ya da çoğalmaz. Sadece biri ötekine dönüşebilir ve enerji formları aralarında takas olurlar.  

Basitçe ele alacak olursak uzayda yol alan bir kütle sahip olduğu enerji ile hareket ettiği yönde sonsuza kadar -bir çarpışma yaşamaz ise- devam eder. Yani bu enerji bir başka şekle dönmedikçe bu durum devam eder. Bu kütlenin hızı sahip olduğu enerji seviyesini belirler. Keza ekseni etrafında dönen bir cisim içinde durum aynıdır. Bir yere gitmez ama durumu etkileyen yani enerji transferini gerektiren bir olay yaşanmaz ise bu durum da sonsuza kadar devam eder. Tersi de mümkündür. Hareketsiz olan bir kütle ona enerji transfer eden bir olay yaşamadıkça bu şekilde kalır.  Ama bu onun enerjisinin sıfır olduğu anlamı taşımaz. Sonuçta madde ve enerjisi bir olay yaşamadıkça sabit kalır. Olay yaşarsa başka formlara transfer olurlar. Sonuçta haraketli de olsa hareketsiz de olsa madde kararlı formlarda kalmayı tercih eder. Ya düzgün doğrusal harekette, ya, dönme hareketinde, ya da hareketsiz  formu tercih eder. Aslında hareket var ve bu hareketin enerjisi etraf ile etkileşiim sonucu transfer oluyorsa sukut halinde kararlılık bulunacaktır. Yani minimum enerji seviyesi kararlıdır.

Bu düşünceyi atomlara ve moleküllere uyguladığımız zaman prensipte aynı olan kuralların kainat ve tabiata nasıl hakim olduğu ve neden yaratılışa inanmak gerektiği anlaşılacaktır. Burada amacım inanç yaymak değildir ancak bu gördüğüm doğruyu okuyucularla paylaşmaktır. Yaratana birçok insan gönülle inanır, ama maalesef inanmayanlar da vardır ve ispat ararlar. Amacım var olan ispatı onlarla paylaşmaktır.

Madde katı, sıvı ve gaz hallerinde farklı moleküler hareket yaşar. Katı molekülleri çok küçük genlikte fakat yüksek frekansta titrerler, sıvı halde daha sebesttirler ve titreşim genlikleri daha büyük fakat frekansları daha düşüktür. Maddeyi sıvı tutan sıcaklık seviyesi artırılırsa moleküler serbestlik te daha çok artacaktır. Polimerler için söz konusu olamaz ama gaz fazında olan molekül ya da atom çok daha serbesttir, çok büyük genlikte fakat düşük frekansta titrerler. Bu sayede bulundukları kapalı haçmin her noktasında aynı basıncı sağlarlar.

Söz konusu maddenin polimer molekülü olduğunu ve sıvı formda olduğunu düşünelim. Bu yılanvari kıvranan ve her kısmı farklı hareket eden (titreyen) uzun zincirin komşuları ile kuracağı enteresan etkileşimler olacaktır. Mesela birinin artı yüklü segmanı diğerinin eksi yüküne denk gelirse oluşacak olan çekim (Vandervaal kuvveti) bu iki molekülü beraber hareket etme eğilimine itecektir. Kütle büyüyeceği için yer darlığı ve her ikisininde aslında daha büyük bedenin segmanları (parçaları) olması sayesinde hareketleri kısıtlanacaktır. İşte size akmaya olacak olan direncin (viskositenin) başlangıç noktası.

Devam edelim, polimerimizi sıvı tutan sıcaklığı biraz artırırsak bu kısıtlama (reolojik direnç) azalacaktır zira moleküler hareket genliği yüksek ısıda daha çok olacaktır. Ya da molekül uzunluğu artırılırsa aynı sıcaklıkta akmaya olan direnç artacaktır zira bu sefer uzunluktan dolayı etkileşime girecek toplam segman uzunlukları da daha fazla olacak, yani kısıtlayıcı unsur çoğalacaktır. Bu engellemeye bir de zincir uzunluğunun yol açacağı, farklı moleküllerin birbirlerine fiziki dolanmasını ve bu dolanmışlık şartlarında oluşacak zayıf ta olsa Vandervaal çekimleri hesaba katarsak polimerlerin   "viskosite" dünyasını anlamaya başlamış oluruz.

Peki, termodinamik bunun neresinde derseniz konuyu daha da açmış oluruz.  Öncelikle bu sıvı polimerik sistemin molekülleri, titreşerek komşuları ile segman bazında çekim ve itme bölgeleri oluşturacaklar ve yavaşça da olsa pozisyon değiştirerek itilme ve çekme noktalarını birbirlerini çekecek hale getirip enerjilerini azaltırlar. Bir araya gelmeleri ve yaklaşmaları neticesinde sahip oldukları kinetik enerji ısı olarak çevreye deşarj olarak polimerik sistemi terk eder. Zira artık daha kısa mesafede daha yüksek frekansta titreyecektir. Aslında sistem dinamik olduğu için çevre ile etkileşerek enerji transferi yapacak ve bünyesinde minimum enerji bulunacak kararlı foma inecektir. Moleküler hareketin azalması neticesinde fazla gelen enerji moleküler kütlenin ısısını artırır ki ısı farkından dolayı çevreye enerji aksın.  Henüz polimeri sıvı tutan ısı hala orada. Bu ısı da çevrenin daha soğuk olması sayesinde kaybolur.

Sonuçta birbirleri ile oldukça sıkı ve kuvvetli bağ kurmuş olan moleküler kütle artık akamayacak kadar çok yüksek viskositeye ulaşmıştır. Katı gibidir ama henüz katı denmez. Sadece akamayacak kadar çok yüksek viskositeli bir sıvı vardır.  Bu durumda olan polimerlere amorf polimerler deriz. Molekülleri arasında tesis olmuş kuvvetler de 2. kuvvetlerdir.  Bu kütleyi tekrar ısıtırsak belli bir sıcaklıkta bu 2. kuvvetler açılır ve moleküler sistemde segmansal hareketlilik başlar. Bu noktaya camsı geçiş sıcaklığı ya da "Tg" diyoruz!

Moleküler kütlenin zincirleri düzenli yapıdalar ve kristal yapma kabiliyetine sahiplerse ve uzun süre segmental hareketlilik varsa zincirler doğru pozüsyonlara yavaşça ulaşır ve kristalik bir yapı oluşturmaya başlarlar. Tesis edilen kuvvetler artık 1. kuvvetlerdir çok daha fazla ısı deşarj olur ve polimer artık bir katı, yani kristaldir. Maddenin en kararlı yani kristal haline ulaşılmış olur. Bu enerji seviyesi en minimum seviyedir.  Eritilebilmesi için 1. kuvvetlerin ısı ile ortadan kaldırılması gerekir.

Termodinamik maddenin tüm davranışlarını her zaman bu izah çerçevesinde yürütür.