ABSTRACT – There are two kinds of polymers: organic polymers known since 1920, like epoxy, acrylate, melanine; and inorganic polymers called mineral polymer (MIP). Another inorganic polymers, named silicone, glass etc called inorganic polymers (IP). The first is monitored by magnetic bonding, the second by ionic bonding, both of non-organic polymers. They offer new materials for the modern industrial use.

 

 

 

1-1     ĐỊNH NGHĨA. Pôlymer vô cơ (inorganic polymer – IP) và polymer khoáng vật (mineral polymer – MIP) là hai loại khác nhau. Loại đầu (IP) là các cao phân tử dài ngoằn ngoèo, 10.000 lần hơn một phân tử kết tinh, và có xương sống làm bằng Si. Loại sau (MIP) là các phân tử kết tinh nối lại với nhau, có thể là phân tử silicat hay một muối kim loại khác. Chúng chiếm phần lớn vật liệu thiên nhiên vô cơ, khác hẵn với polymer hữu cơ có xương sống làm bằng C (cacbon).

 

1-2.1    THUỶ TINH. Khoáng thạch anh có công thức SiO₂, một nguyên tố Silic bị kẹp giữa hai oxy O. Sự liên kết rất chặt, nên khoáng vật ít bị huỷ hoại (25 năm thời khí mới huỷ 1 ppm thạch anh). Ở thể khối nó có tên thạch anh, còn ở thể vụn nó có tên là cát. Thạch anh hay cát có mạng tinh thể đơn giản (hình 1), ánh sáng tự nhiên xuyên thấu qua được. Ánh sáng phân cực cho ra màu, tuỳ độ dày xuyên thấu.

Hình 1: mạng tinh thể của thạch anh.

 

Nấu ở nhiệt độ cao, thạch anh chảy ra rồi nguội lại thật nhanh, thành thuỷ tinh. Ánh sáng tự nhiên xuyên thấu được thuỷ tinh, nhưng ánh sáng phân cực bị chắn lại. Tại sao? Vì mạng tinh thể bị vò nhàu, ánh sáng phân cực không qua được (hình 2).

 

 

Hình 2: mạng tinh thể của SiO₂ bị vò nhàu.

 

Muốn cho sự vò nhàu xảy ra dễ dàng nên thêm cho SiO₂ một lượng Na₂CO₃ (hình 3)

 

Hình 3: Công thức cấu tạo Na₂CO₃

 

Hình 4: mạng tinh thể bị vò nhàu sau khi thêm Na₂CO₃

 

Thuỷ tinh là một polymer vô cơ có công thức của một cao phân tử rất dài (hơn 10.000 một phân tử SiO₂ bình thường) – hình 5.

 

                        Hình 5: sơ đồ của pôlime SiO₂ trong thuỷ tinh.

 

1-2.2. SILICONE. Chất này được dùng rất thông thường, có một xương sống làm bằng Si nối với 2 oxy O (hình 6), có hai phụ gia nằm hai bên. Xương sống làm bằng Si là điểm chỉ định của gốc silicone: một pôlime vô cơ. Nhưng ở đây, mạng tinh thể của SiO₂ nằm xuôi chiều với nhau, nên silicone là một chất rất dẽo. Đó là một loại vật liệu có tính đàn hồi cao, một thứ cao su. ứng dụng của silicone xảy ra rất nhiều nơi.

 

                        Hình 6: công thức giản đơn hoá của silicone

 

1-2.3.   POLYSILANE. Đó là những pôlime vô cơ có xương sống làm bằng Si nhưng không có oxy O đi kèm, chứa những căn hữu cơ đơn giản như CH₃ và những căn vòng phức tạp gốc phenyl.

 

Chúng có thể hoà tan được trong nước hay không, nên rất thông dụng làm keo dán dưới dạng là copolymer (hình 7).

 

                        Hình 7: Các polysilane thông thường.

 

1-2.4.   POLYGERMANE VÀ POLYSTANNANE. Với kỹ thuật mới, ta có khả năng tổng hợp những pôlime không dựa trên xương sống Si nữa, mà dựa trên xương sống của các kim loại. Bước đầu, các kim loại như germani và thiếc đã được dùng và đem lại kết quả tích cực (hình 8-9).

 

            Hình 8-9: polydimethylgermane và polydimethylstannane thông dụng.

 

Chúng có tính đẫn điện tuy không bằng đồng (Cu), nhưng khả năng rất lớn, nên đang được nghiên cứu (thay cho nhôm quá mềm). Chúng có tính đặc biệt trong các chất dẫn điện bền bĩ.

Cho đến nay chưa thành công nhiều trong lĩnh vực này.

 

1-2.5. POLYPHOPHAZENE. Các sản phẩm này có xương sống là phi kim như Si, nhưng phi kim phức tạp hơn. Ví dụ như lân (P) nối với đạm (N) như trình bày ở hình 10, trong đó P nối với căn R hữu cơ thông qua O.

Hình 10: Vị trí của P và N trong xương sống của pôlime vô cơ.

 

            P có hoá trị 5 và N có hoá trị 3, là những mối nối rất chắc chắn của pôlime, nên khó phá huỷ, vì cả hai nằm trong xương sống, cứ nối tiếp nhau. Nhưng bản chất chung của xương sống là rất dẽo, đàn hồi. Ngoài ra nó còn rất kháng điện.

 

 

Hình 11: cách tạo ra pôlime polyphosphazene.

 

Pôlime được tạo ra theo 2 bước (hình 11): bước đầu là hoà hợp PCl­₅ với NH₄Cl; Bước 2 hoà hợp N, P với Na, tạo thành chuỗi pôlime rất dài.

Hình 14: Phân loại các pôlime vô cơ và khoáng sản, cả hai đều là pôlime không hữu cơ.

 

 

 

 

2-1. POLYMER TRỰC TIẾP: GS. Plattfort của đại học Bruxelles (Bỉ) đưa ra một công nghệ mới. Số là cuối thế kỷ 20, người ta phát hiện ra đất sét cao lanh có điện tích âm (hình 12A), mỗi tinh thể cơ bản dài 10 nanomét, gồm có 2 lá: lá silic và lá nhôm. Ông bằng dùng Na₂CO₃ trộn với cao lanh và biến nó thành một đầu âm (Si) và một đầu dương (Al). Từ đó khoáng vật cơ bản thành một thỏi nam châm nano trình bày trong hình 12B.

            Hình 12A: tinh thể cao lanh

            Hình 12B: Biến tinh thể cơ bản của đất cao lanh thành một nam châm nano.

 

Nam châm nano hút lẫn nhau và cao lanh hoá thành đá. Plattfort gọi đó là MIP, tức pôlime vô cơ, nhưng chính xác hơn là pôlime khoáng vật (polymère minérale).

Đó là một MIP trực tiếp, vì chỉ có một pôlime khoáng vật duy nhất.

 

2-2.   POLYMER GIÁN TIẾP. GS. Trần Kim Thạch thuộc trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, khám phá ra một thứ pôlime có các tinh thể khác nhau và nối kết nhau. Cũng như Plattfort, pôlime này dùng từ lực sẵn có, vật liệu âm (-) kết nối với vật liệu dương (+) và nhờ từ lực gắn kết nhau ở cấp nano (cực mạnh) theo công thức cơ bản là:

 

P = f(M+m)tnp

 

         Trong đó P là sự pôlime hoá, M là vật liệu (-) và m là vật liệu (+), còn t là trộn, n là nén và p là phơi.

 

Ví dụ trong đất cao lanh trộn vôi tôi, với công thức này, ông đã tạo ra một pôlime cứng chắc, gọi là bêtông đất sét. Đó là một vật liệu xây dựng cho nông thôn, nhờ giá mềm. 

 Vì có hai vật liệu khác nhau, trộn vào nhau để hoá đá (pretrification) nên loại MIP này có tính gián tiếp.

 

3-1. KIỂU MỸ: NỐI KẾT CỔ ĐIỂN. Theo kiểu của Hoa Kỳ, lực nối kết là hoá trị của nguyên tố và các nguyên tố nối được với nhau là nhờ ái lực giữa chúng với nhau. Ví dụ Si và 2 O trong thạch anh và trong thuỷ tinh. Ái lực của cả 2 đều rất mạnh. Si có hóa trị 2 và O cũng có hoá trị 2, kết thành một mạng 3 chiều rất khó phá huỷ.

 

            Khi hoá trị được phân phối đều khắp, thì tác dụng như nhau. Cho nên không có khái niệm rõ ràng trong sự nối hoá trị như trên. Do đó cần lựa rõ các hoá trị để tạo ái lực.

 

            Lúc đầu, vào đầu thập niên thế kỷ 20, ngành hoá cổ điển không thấy ra được sự hiện diện của một pôlime vô cơ nào cả, nên qui cho hoá hữu cơ nghiên cứu về pôlime. cuối thập kỷ 90, cuộc cách mạng hoá học hoàn chỉnh: có pôlime vô cơ và có khả năng chế biến các pôlime vô cơ, tạo ra composite vô cơ, để phục vụ xã hội. Một số đá thiên nhiên trong họ silicate, họ piroxenit cũng là pôlime vô cơ. từ đó tạo được thuỷ tinh và ngọc là những pôlime vô cơ đặc biệt.

 

3-2.   KIỂU BỈ: TỪ LỰC. Trường phái Bỉ và Châu âu dựa trên từ lực. Ví dụ sự hoá đá của cao lanh rõ ràng là do từ lực thúc đẩy. từ lực là một trọng lực mạnh nhất và cụ thể nhất của trái đất. có nhiều vật liệu có âm tính (-) và có dương tính (+) rất rõ ràng. Khi trộn chúng với nhau, chúng có thể kết dính dưới dạng khoáng vật cơ bản, để cùng thành đá.

 

            Khoáng vật cao lanh cơ bản có từ tính âm, kết hợp khoáng vật ấy với vôi tôi Ca(OH)₂, nó kết lại với nhau. Vì vôi tôi có từ tính dương. Nhưng sự kết dính ấy sẽ nhanh hơn, mạnh hơn nếu vật liệu nằm ở cấp cực nhỏ nano. Muốn vật liệu ở cấp nano, không gì bằng nén mạnh sau khi trộn đều rồi phơi nắng. Thiên nhiên tạo đá trầm tích nhờ các yếu tố trộn, nén, phơi đó, trong một thời gian địa chất lâu dài, tạo ra một môi trường kết dính vật liệu hoàn hảo. Sự hoá đá trầm tích từ vật liệu bở rời, có nén mạnh là bí quyết để tạo ái lực giữa các khoáng vật cơ bản (khác với nguyên tố cơ bản) theo qui luật âm dương của từ lực. Nó mở đường cho nghiên cứu nhiều vật liệu mới có ứng dụng thực thiễn cho xã hội.

 

 

            Như vậy ta có trong thiên nhiên cũng như trong nhân tạo, 2 nhóm pôlime là hữu cơ (organic) và không hữu cơ (non-organic). Nhóm sau này chia làm 2 phụ nhóm là inorganic, dịch là phụ nhóm vô cơ, và phụ nhóm là mineral, dịch là phụ nhóm khoáng vật. Từ “mineral” cũng có nghĩa là vô cơ.

 

            Nhóm inorganic có xương sống là nguyên tố Si (trong khi nhóm organic có xương sống là nguyên tố C). Tuy nhiên, nhiều thành công trong cách thay nguyên tố Si bằng nguyên tố kim loại và phi kim khác.

 

            Nhóm mineral kết dính từng nhóm tinh thể cơ bản với nhau, hay từng nhóm tinh thể cơ bản với các nguyên tố với nhau. Lực kết dính đó là từ lực. Kết dính trực tiếp như tạo tinh thể cơ bản cao lanh (gọi là kaolinite) thành hạt nam châm siêu vi để hoá đá. Kết dính gián tiếp thì hỗn tạp hơn, bằng nhiều tinh thể cơ bản và nguyên tố thích hợp, có từ lực âm, dương.

 

            Con đường nghiên cứu còn ở phía trước. cái nào làm được pôlime đều làm những vật liệu mới có ích cho xã hội, hữu cơ cũng như không hữu cơ.

 

 

                                                                                                            PHẠM TUẤN NHI.

-----------------------------------