البوليمرات: تعريف شامل

تعرف البوليمرات (بالإنجليزية: Polymer) بأنها مركبات كيميائية أو خليط من مركبات تتكون من جزيئات متكررة، وتت شكل هذه الجزيئات من خلال عملية تعرف باسم البلمرة (بالإنجليزية: Polymerization). وتعرف هذه العملية بأنها تفاعل كيميائي يحدث بين جزيئين أو أكثر، حيث يندمجون معًا لتكوين مركب يحتوي على وحدات بنائية متكررة.

تعتبر البوليمرات من المواد الطبيعية أو الاصطناعية، حيث تحتوي على جزيئات بحجم كبير تتكون من المونومرات (جزيئات كيميائية بسيطة). يمكن أن يتكون البوليمر من نوع واحد من المونومرات أو أكثر، وعندما يتكون من أكثر من نوع، يُطلق عليه اسم البوليمرات المشتركة. تتواجد البوليمرات في الكائنات الحية مثل البروتينات، والسليلوز، والأحماض النووية، وكذلك في المعادن مثل الألماس، والكوارتز، والفلسبار. كما نجدها في عدة مواد مصنعة، مثل الزجاج، والورق، والبلاستيك، والمطاط.

تاريخ البوليمرات

يمكن تلخيص تاريخ البوليمرات بالنقاط التالية:

• انطلقت صناعة البوليمرات الاصطناعية باستخدام موارد طبيعية مثل السليلوز.
• تم تصنيع العديد من المواد البوليمرية البارزة خلال القرون الماضية، بما في ذلك البلاستيك والألياف واللدائن.
• تم إنتاج البلاستيك من معالجة السليلوز المستخرج من ألياف القطن في شجر الكافور لحماية الفيلة.
• تطوير مادة الباكليت، التي تعد بديلاً اصطناعياً لعازل الشيلاك (عازل كهربائي طبيعي)، وهي مادة مقاومة للحرارة وسهلة التشكيل.
• استدعت الحرب العالمية الثانية الحاجة لزيادة إنتاج البلاستيك لحماية الخصائص الطبيعية من النضوب عبر توفير البدائل.
• اكتشف العالم والاس كاروثرز النايلون (الحرير الصناعي) في عام 1935، واستخدم في صناعة المظلات والحبال والدروع والخوذات.
• تم إنتاج البلاستيك بكميات كبيرة بعد الحرب واستخدم كبديل للفولاذ في السيارات، وأيضًا كبديل غير مكلف للورق والزجاج في التعبئة.
• أثيرت المخاوف بشأن نفايات البلاستيك خلال السبعينات والثمانينات، مما أدى إلى ظهور فكرة إعادة تدوير المواد البلاستيكية الم Waste processing.
• أظهر العلماء مؤخراً أن البلاستيك يحتوي على مواد ضارة مثل الفثالات (بالإنجليزية: Phthalates) التي تؤثر سلبًا على صحة الإنسان.
• تتسرب الفثالات إلى الطعام والماء وتؤثر على أداء الغدد الصماء المسؤولة عن إنتاج الهرمونات.

تركيب البوليمرات

تتكون البوليمرات من سلاسل طويلة من الجزيئات التي تحتوي على ذرات الكربون والأكسجين والهيدروجين متكررة، بحيث تتصل الروابط الكيميائية (التساهمية والثانوية) بينها. تُعرف الوحدات الأساسية للبوليمرات بالمونومرات، وتأتي البوليمرات بأنواع متعددة، حيث يكون لكل نوع ترتيب مميز ومجموعة محددة من الذرات تشارك في تكوينه.

تلعب شدة الصلابة، ودرجة الانصهار، وطرق الربط دورًا هامًا في خصائص البوليمرات وتركيبها الداخلي. كما يمكن أن تكون البوليمرات مواد عضوية تتكون من ذرات الكربون التي تمتلك أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي، مما يمكنها من تشكيل روابط تساهمية مع ذرات أخرى.

يُعد البوليمر بولي إيثيلين (بالإنجليزية: Polyethylene) مثالاً على ذلك، حيث يتكون وفقًا للمعادلة التالية: C₂H₄ + C₂H₄ → C₄H₈.

أنواع البوليمرات

توجد نوعان رئيسيان من البوليمرات: البوليمرات الطبيعية (بالإنجليزية: Natural Polymer) والبوليمرات الاصطناعية (بالإنجليزية: Synthetic Polymer). وفيما يلي توضيح للإثنين:

البوليمرات الطبيعية

تشتمل البوليمرات الطبيعية على نوعين، وهما: البوليمرات العضوية وغير العضوية. تلعب البوليمرات العضوية دورًا أساسيًا في الحياة، حيث توفر مواد البناء الأساسية وتشارك في العمليات الحيوية. ومن بعض الأمثلة عليها:

• السليلوز: يُعرف السليلوز بأنه مجموعة من المواد الموجودة في النباتات التي تشكل الأجزاء الصلبة منها. فهو عبارة عن عديد سكريات يتكون من جزيئات السكر.

• اللجنين والراتنجات: يُعتبر اللجنين شبكة معقدة ثلاثية الأبعاد من البوليمرات، بينما راتنجات الخشب تتكون من هيدروكربون بسيط وأيزوبرين.

• البروتينات والأحماض النووية: تتكون بوليمرات البروتين من الأحماض الأمينية، بينما تتكون الأحماض النووية من نيوكليوتيدات، وهي جزيئات معقدة تتكون من قواعد تحتوي على النيتروجين والسكر وحمض الفوسفوريك.

• النشويات: تُعدّ النشويات من مصادر الطاقة الغذائية، وهي بوليمرات طبيعية تتكون من الجلوكوز. يوجد كذلك بعض الأمثلة على البوليمرات غير العضوية في الطبيعة مثل الألماس والجرافيت، اللذان يتكونان من الكربون، حيث ترتبط ذرات الكربون لتكون شبكة ثلاثية الأبعاد في الألماس، مما يمنحه خاصية الصلابة، بينما يُستخدم الجرافيت في عملية التشحيم وصنع أقلام الرصاص.

البوليمرات الاصطناعية

تُنتَج البوليمرات الاصطناعية عن طريق أنواع متعددة من التفاعلات الكيميائية، ومن أبرز الأمثلة عليها:

• البولي إيثيلين: يتميز بكونه مادة بلورية وزجاجية، تُستخدم في تصنيع الزجاج والحاويات.

• البولي بروبيلين: يُعرف بأنه مادة بلورية لدنة تُستخدم في صناعة النسيج.

• بولي بوتادين، وبولي إيزوبرين، وبولي كلوروبرين: تُستخدم هذه المواد في إنتاج المطاط.

• البوليسترين: يتميز بكونه مادة زجاجية وشفافة ولدنة، تُستخدم في صناعة الألعاب والمجسمات البلاستيكية.

• بولي فينيل كلوريد: ويعد بوليمراً اصطناعياً، وهي مادة صلبة عديمة اللون، كما أنها لينة وقابلة للتشكيل، وتستخدم كلاصق وفي أعمال الطلاء.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبوليمرات

تتميز البوليمرات بمجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، ويمكن توضيح أبرزها فيما يلي:

الخصائص الفيزيائية للبوليمرات

من أهم الخصائص الفيزيائية للبوليمرات:

• تتمتع بقوة شد كبيرة نتيجة طول السلسلة.
• غير قابلة للذوبان، إذ تتحول من الحالة البلورية إلى شبه بلورية.
• غير موصلة للحرارة، وقابلة للتوسع الحراري بطرق مختلفة.

الخصائص الكيميائية للبوليمرات

تظهر الخصائص الكيميائية للبوليمرات في:

• غالبًا ما تتسم بقوة ربط عرضية نتيجة للتفاعل الهيدروجيني والأيوني.
• تمتاز بمرونة عالية نتيجة لحضور روابط ثنائية القطب الناتجة عن السلاسل الجانبية.
• تمتلك درجة انصهار منخفضة بسبب القوى الضعيفة التي تربط السلاسل من نوع فان دير فالس.
• تتميز بمعدل نفاذية منخفض للغاية.

عملية تسمية البوليمرات

يشتق اسم البوليمر من اسم المونومر الذي يدخل في تركيبه. كمثال، يُدعى بوليمر بولي إيثين (بالإنجليزية: Poly Ethene) لأنه يتكون من مونومر الإيثين. وفيما يلي توضيح كيفية تسمية البوليمرات:

• تسمية المونومر: يبدأ بتسمية المركب الكيميائي الأساسي (المونمر) عن طريق حساب عدد ذرات الكربون؛ على سبيل المثال، يبدأ اسم المركب الذي يحتوي على ذرة كربون واحدة بـ(ميث)، والذي يحتوي على ذرتين بـ(إيث)، ثم تحديد أنواع الروابط.

• تسمية البوليمر: تُضاف كلمة (Poly) ثم توضع بين قوسين اسم المونومر، إذا كان على شكل مونومر واحد.

• إضافة التعقيد: تتكون البوليمرات المشتركة من أكثر من مونومر، فتُسمى باستخدام بعض المحددات التي تشير إلى تكوينها.

• التسمية القائمة على الهيكل: يمكن أيضًا تسمية البوليمرات بناءً على هيكلها وفقًا لوحدة التكرار الأساسية.

استخدامات البوليمرات وتطبيقاتها

تستخدم البوليمرات في العديد من المجالات، منها الصناعة، والطب، والزراعة، والهندسة، وتطبيقات الطب الحيوي. يمكن توضيح ذلك على النحو التالي:

استخدامات البوليمرات في الصناعة

تتضمن استخدامات البوليمرات في الصناعة:

• البولي بروبيلين: يستخدم في إنتاج المنسوجات وأدوات التعبئة والتغليف والألعاب، كما يدخل في صناعة البلاستيك سقف السينما.

• البوليسترين: يستخدم في صناعة أدوات التعبئة والتغليف والعبوات والألعاب، بالإضافة إلى العزل.

• الباكليت: يستخدم بشكل شائع في صناعتي المفاتيح الكهربائية ومواد البناء.

• بولي فينيل كلوريد: يُستخدم بشكل متزايد في صناعة الأنابيب والكابلات الكهربائية.

• راتنجات اليوريا فورمالدهايد: تدخل في صناعة المكونات القابلة للكسر.

• جليبتال: يُستخدم في مجموعة متنوعة من الدهانات.

استخدامات البوليمرات في الطب

تتعدد استخدامات البوليمرات في المجال الطبي:

• تستخدم في أنظمة توصيل الأدوية والدعامات الوعائية والخيوط الجراحية.
• تدخل في علاج العديد من الحالات الطبية مثل انسداد الأوعية الدموية.
• تستخدم في غسيل الكلى ومجالات الحماية الجراحة.
• تساعد في عمليات تجميل العظام وتقويم الأسنان.

استخدامات البوليمرات في الزراعة

تُستخدم البوليمرات في تحسين جودة الزراعة:

• تقديم المياه بدون التأثير السلبي على البيئة.
• تحسين كفاءة المبيدات الحشرية.
• زيادة جودة التغذية في التربة.
• إزالة الأيونات المعدنية من التربة.

استخدامات البوليمرات في التطبيقات الهندسية

أما في الهندسة، فتستخدم البوليمرات في:

• تطبيقات البناء والنقل والإلكترونيات.
• كبديل للمعادن في العديد من التطبيقات الكيميائية.

استخدامات البوليمرات في التطبيقات الطبية الحيوية

تُستخدم البوليمرات في مجال المواد الطبية الحيوية:

• في صناعة صمامات القلب والأوعية الدموية.
• تستخدم في خيوط الجراحة وزرع الأعضاء.
• مستخدمة في تصنيع العدسات الطبية.

مستقبل البوليمرات في حياة الإنسان

تعد البوليمرات جزءًا أساسيًا من حياة الإنسان الحديثة، حيث تساهم في رفع مستوى المعيشة من خلال تكلفتها المنخفضة ومرونتها. تلعب البوليمرات دورًا محوريًا في مواجهة التحديات المستقبلية في مجالات الطاقة والموارد والغذاء والصحة. ومن أبرز الاستخدامات المحتملة:

• تصنيع الأجهزة الطبية والأعضاء الصناعية.
• تطوير بدائل الطاقة والتقنيات المستدامة.
• تسهيل التخزين والتعبئة في الصناعات الغذائية.
• توظيفها في الصناعات الإلكترونية والكهربائية.
• ستخدم في تطوير تكنولوجيا الخلايا الجذعية.
• توظيفها مستقبلًا في صناعة السيارات والمركبات الفضائية.
• تطوير نظم الاتصالات وأجهزة الاتصالات المتنقلة.