در اکثر این صفحات، ما در رابطه با پلیمرهایی صحبت کردهایم که اگر کل اتمهای مولکول آنها از کربن نباشد، بخش اعظم زنجیر اصلی آنها از اتمهای کربن ساخته شده است. به این مواد پلیمرهای آلی میگوییم. ولی اکنون قصد داریم به مواد دیگری بپردازیم، و در مورد زنجیرهایی صحبت کنیم که در زنجیر اصلی آنها هیچ اتم کربنی وجود ندارد. این مواد پلیمرهای معدنی نامیده میشوند. در اینجا فهرستی از پلیمرهای معدنی موجود در این صفحه آورده شده است تا بتوانید سریعاً به آنها دسترسی داشته باشید:
سیلیکونها
پلیسیلانها
پلیژرمانها و پلیقلعها
پلیفسفازینها
سیلیکونها
شما پلیمرهای معدنی را قبلاً دیده اید، حتی اگر در این صفحات ندیده باشید، به هر حال در زندگی روزمرهی خود، احتمالاً در جایی یک لاستیک سیلیکون را دیدهاید. سیلیکونها متعارفترین پلیمرهای معدنی میباشند، و ساختاری شبیه به این دارند:
آنها در حقیقت باید پلیسیلوکسانها نامیده شوند.
پیوند میان سیلیکون و اکسیژن بسیار قوی، و در عین حال بسیار منعطف است. از این رو سیلیکونها میتوانند دماهای بالا را بدون تجزیه شدن تحمل کنند، اما دمای انتقال شیشهای بسیار پایینی دارند. احتمالاً لاستیک یا درزگیر ساخته شده از سیلیکونها را قبلاً در جایی دیده اید.
پلیسیلانها
بیایید به خواص عنصر سیلیسیم نگاه کنیم. مشاهده میشود که سیلیسم در جدول تناوبی دقیقاً زیر کربن قرار گرفته است. همانطور که احتمالاً به خاطر میآورید، عناصر موجود در یک ستون، یا گروه، در جدول تناوبی اغلب خواص بسیار مشابهی دارند. پس اگر کربن بتوانند زنجیرههای پلیمری طولانی بسازد، سیلیسیم نیز باید قادر به انجام این کار باشد.
اما سالها طول کشید تا دانشمندان بالاخره موفق شدند که اتم های سیلیکون را در زنجیرهای طولانی پلیمری جای دادند. در دهه های۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ بود که شیمیدان ها دریافتند که پلیمرهای آلی از زنجیرهای طولانی کربن تشکیل شده اند، اما پژوهشی جدی درباره ی پلی سیلان ها تا اواخر دهه ی ۱۹۷۰ انجام نگرفت.
پیش از آن، در ۱۹۴۹، س.ا. برکهارد که در بخش پژوهش و فناوری شرکت جنرال الکتریکز مشغول به کار بود توانست نوعی پلیسیلان به نام پلیدیمتیلسیلان اختراع کند، اما این پلیمر برای هیج کاری مناسب نبود و چنین شکلی داشت:
این ماده، بلور تشکیل می داد، و بلورهایش آنقدر قوی بودند که هیچ حلالی نمیتوانست آنها را در خود حل کند. برکهارد تلاش کرد تا آن را حرارت دهد، اما این پلیمر در دمای زیر که همان دمای تخریب آن بود، ذوب نمیشد. و این امر، پلیدیمتیلسیلان را کاملاً بیاستفاده میکرد. برکهارد، توانسته بود این ماده را از واکنش میان فلز سدیم و دیکلرودیمتیل سیلان به دست آورد:
این مسئله، اهمیت دارد، زیرا در دهه ی ۱۹۷۰، برخی دانشمندان به این فکر افتادند که حلقههای کوچکی از اتمهای سیلیکون بسازند. ولی به طور اتفاقی، کاری مشابه برکهارد انجام دادند. آنها فلز سدیم را با دیکلرودیمتیل سیل آن واکنش دادند، و مقداری هم دیکلرومتیل فنیل سیلان به واکنش افزودند. حدس بزنید چه اتفاقی افتاد؟ آنها به آنچه میخواستند، دست نیافتند، بلکه کوپلیمری به شکل زیر به دست آوردند:
شاید بهتر است برای وضوح بیشتر، پلیمر را به صورت زیر نشان دهیم:
همانطور که میبینید، گروههای فنیل مانع تشکیل بلور از سوی پلیمر میشوند، و بدین ترتیب این پلیمر به اندازه ی پلیدیمتیل سیلان، بلورین نیست؛ یعنی این پلیمر انحلال پذیر است و میتواند تحت فرآیند قرار گیرد و درباره ی آن مطالعه شود.
حالا، این مواد برای چه کاری مناسب هستند؟ پلی سیلان ها بسیار جذاب اند، زیرا رسانای الکتریکی می باشند؛ البته نه به خوبی مس، ولی خیلی بیش از آنکه از یک پلیمر انتظار دارید، رسانا هستند و ارزش تحقیقات علمی را دارند. همچنین این مواد، در برابر حرارت بسیار مقاوم هستند، یعنی تا حدود. با وجود این اگر خیلی بیشتر آن را حرارت دهید، می توانید کربید سیلیسیم بدست آورید که ماده ی ساینده ی خوبی است.
پلی ژرمان ها و پلی قلع ها
خُب، اگر سیلیسیم میتواند زنجیره های پلیمری بلند بسازد، آیا اعضای دیگر گروه ۴ هم میتوانند؟ آیا میتوان پلیمرهایی از ژرمانیوم به دست آورد؟ بهتر است باور کنید که این کار عملی است! نه تنها ساخت زنجیره های پلیمری از ژرمانیوم ممکن است، بلکه شما حتی میتوانید از اتمهای قلع هم زنجیره ی پلیمری بسازید. این پلیمرها به ترتیب پلیژرمان ها و پلیقلع ها نامیده میشوند.
پلیقلع ها بسیار عجیب، جالب، مفید، و منحصر به فرد هستند، زیرا تنها پلیمرهای شناختهشدهای هستند که زنجیر اصلی آنها کاملاً از اتمهای فلز ساخته شده است. پلیژرمانها و پلیقلع ها نیز مانند پلیسیلانها تحت مطالعه هستند تا به عنوان رساناهای الکتریکی مورد استفاده قرار بگیرند.
پلیفسفازینها
اکنون میخواهیم از گروه چهار جدول تناوبی خارج شویم. لذا آخرین پلیمری که قرار است نگاهی به آنها بیاندازیم از چیز دیگری ساخته شده است، و آن فسفر و نیتروژن است. مانند پلیسیلوکسانها، پلیفسفازینها هم از اتمهایی متناوب ساخته شدهاند، که در این مورد زنجیره از اتم های فسفر و نیتروژن متناوب تشکیل شده است. مثل این:
این استخوانبندی، مانند استخوانبندی زنجیرهی پلیسیلوکسان، بسیار انعطافپذیر است، و به همین دلیل پلیفسفازینها الاستومرهای خوبی میسازند. آنها همچنین عایقهای الکتریکی بسیار خوبی هستند. پلیفسفازینها در دو مرحله تهیه میشوند:
ابتدا پنتاکلرایدفسفر را با آمونیومکلراید واکنش میدهیم تا یک پلیمر کلردار بسازیم. سپس محصول را با یک نمک سدیم الکلی وارد واکنش میکنیم تا به یک پلیفسفازینِ استخلاف شده با اتر دست یابیم.