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 cÆ¡ (inorganic polymer – IP) và polymer khoáng vật (mineral polymer – MIP) là hai loại khác nhau. Loại đầu (IP) là các cao phân tá»­ dài ngoằn ngoèo, 10.000 lần hÆ¡n má»™t phân tá»­ kết tinh, và có xÆ°Æ¡ng sống làm bằng Si. Loại sau (MIP) là các phân tá»­ kết tinh nối lại vá»›i nhau, có thể là phân tá»­ silicat hay má»™t muối kim loại khác. Chúng chiếm phần lá»›n vật liệu thiên nhiên vô cÆ¡, khác hẵn vá»›i polymer hữu cÆ¡ có xÆ°Æ¡ng sống làm bằng C (cacbon).

 

1-2.1    THUỶ TINH. Khoáng thạch anh có công thức SiO₂, má»™t nguyên tố Silic bị kẹp giữa hai oxy O. Sá»± liên kết rất chặt, nên khoáng vật ít bị huá»· hoại (25 năm thời khí má»›i huá»· 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 Ä‘Æ¡n giản (hình 1), ánh sáng tá»± nhiên xuyên thấu qua được. Ánh sáng phân cá»±c cho ra màu, tuỳ Ä‘á»™ dày xuyên thấu.

Hình 1: mạng tinh thể của thạch anh.

 

Nấu ở nhiệt Ä‘á»™ cao, thạch anh chảy ra rồi nguá»™i lại thật nhanh, thành thuá»· tinh. Ánh sáng tá»± nhiên xuyên thấu được thuá»· tinh, nhÆ°ng ánh sáng phân cá»±c bị chắn lại. Tại sao? Vì mạng tinh thể bị vò nhàu, ánh sáng phân cá»±c không qua được (hình 2).

 

 

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

 

Muốn cho sá»± vò nhàu xảy ra dá»… dàng nên thêm cho SiO₂ má»™t lượng Na₂CO₃ (hình 3)

 

Hình 3: Công thức cấu tạo Na₂CO₃

 

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

 

Thuá»· tinh là má»™t polymer vô cÆ¡ có công thức của má»™t cao phân tá»­ rất dài (hÆ¡n 10.000 má»™t phân tá»­ SiO₂ bình thường) – hình 5.

 

                        Hình 5: sÆ¡ đồ của pôlime SiO₂ trong thuá»· tinh.

 

1-2.2. SILICONE. Chất này được dùng rất thông thường, có má»™t xÆ°Æ¡ng sống làm bằng Si nối vá»›i 2 oxy O (hình 6), có hai phụ gia nằm hai bên. XÆ°Æ¡ng sống làm bằng Si là Ä‘iểm chỉ định của gốc silicone: má»™t pôlime vô cÆ¡. NhÆ°ng ở Ä‘ây, mạng tinh thể của SiO₂ nằm xuôi chiều vá»›i nhau, nên silicone là má»™t chất rất dẽo. Đó là má»™t loại vật liệu có tính Ä‘àn hồi cao, má»™t thứ cao su. ứng dụng của silicone xảy ra rất nhiều nÆ¡i.

 

                        Hình 6: công thức giản Ä‘Æ¡n hoá của silicone

 

1-2.3.   POLYSILANE. Đó là những pôlime vô cÆ¡ có xÆ°Æ¡ng sống làm bằng Si nhÆ°ng không có oxy O Ä‘i kèm, chứa những căn hữu cÆ¡ Ä‘Æ¡n giản nhÆ° CH₃ và những căn vòng phức tạp gốc phenyl.

 

Chúng có thể hoà tan được trong nÆ°á»›c hay không, nên rất thông dụng làm keo dán dÆ°á»›i dạng là copolymer (hình 7).

 

                        Hình 7: Các polysilane thông thường.

 

1-2.4.   POLYGERMANE VÀ POLYSTANNANE. Vá»›i kỹ thuật má»›i, ta có khả năng tổng hợp những pôlime không dá»±a trên xÆ°Æ¡ng sống Si nữa, mà dá»±a trên xÆ°Æ¡ng sống của các kim loại. BÆ°á»›c đầu, các kim loại nhÆ° germani và thiếc Ä‘ã được dùng và Ä‘em lại kết quả tích cá»±c (hình 8-9).

 

            Hình 8-9: polydimethylgermane và polydimethylstannane thông dụng.

 

Chúng có tính đẫn Ä‘iện tuy không bằng đồng (Cu), nhÆ°ng khả năng rất lá»›n, nên Ä‘ang được nghiên cứu (thay cho nhôm quá mềm). Chúng có tính đặc biệt trong các chất dẫn Ä‘iện bền bÄ©.

Cho đến nay chÆ°a thành công nhiều trong lÄ©nh vá»±c này.

 

1-2.5. POLYPHOPHAZENE. Các sản phẩm này có xÆ°Æ¡ng sống là phi kim nhÆ° Si, nhÆ°ng phi kim phức tạp hÆ¡n. Ví dụ nhÆ° lân (P) nối vá»›i đạm (N) nhÆ° trình bày ở hình 10, trong Ä‘ó P nối vá»›i căn R hữu cÆ¡ thông qua O.

Hình 10: Vị trí của P và N trong xÆ°Æ¡ng sống của pôlime vô cÆ¡.

 

            P có hoá trị 5 và N có hoá trị 3, là những mối nối rất chắc chắn của pôlime, nên khó phá huá»·, vì cả hai nằm trong xÆ°Æ¡ng sống, cứ nối tiếp nhau. NhÆ°ng bản chất chung của xÆ°Æ¡ng sống là rất dẽo, Ä‘àn hồi. Ngoài ra nó còn rất kháng Ä‘iện.

 

 

Hình 11: cách tạo ra pôlime polyphosphazene.

 

Pôlime được tạo ra theo 2 bÆ°á»›c (hình 11): bÆ°á»›c đầu là hoà hợp PCl­₅ vá»›i NH₄Cl; BÆ°á»›c 2 hoà hợp N, P vá»›i Na, tạo thành chuá»—i pôlime rất dài.

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

 

 

 

 

2-1. POLYMER TRá»°C TIẾP: GS. Plattfort của đại học Bruxelles (Bỉ) Ä‘Æ°a ra má»™t công nghệ má»›i. Số là cuối thế ká»· 20, người ta phát hiện ra đất sét cao lanh có Ä‘iện tích âm (hình 12A), má»—i tinh thể cÆ¡ bản dài 10 nanomét, gồm có 2 lá: lá silic và lá nhôm. Ông bằng dùng Na₂CO₃ trá»™n vá»›i cao lanh và biến nó thành má»™t đầu âm (Si) và má»™t đầu dÆ°Æ¡ng (Al). Từ Ä‘ó khoáng vật cÆ¡ bản thành má»™t thỏi nam châm nano trình bày trong hình 12B.

            Hình 12A: tinh thể cao lanh

            Hình 12B: Biến tinh thể cÆ¡ bản của đất cao lanh thành má»™t nam châm nano.

 

Nam châm nano hút lẫn nhau và cao lanh hoá thành Ä‘á. Plattfort gọi Ä‘ó là MIP, tức pôlime vô cÆ¡, nhÆ°ng chính xác hÆ¡n là pôlime khoáng vật (polymère minérale).

Đó là má»™t MIP trá»±c tiếp, vì chỉ có má»™t pôlime khoáng vật duy nhất.

 

2-2.   POLYMER GIÁN TIẾP. GS. Trần Kim Thạch thuá»™c trường Đại học Khoa học Tá»± Nhiên, khám phá ra má»™t thứ pôlime có các tinh thể khác nhau và nối kết nhau. CÅ©ng nhÆ° Plattfort, pôlime này dùng từ lá»±c sẵn có, vật liệu âm (-) kết nối vá»›i vật liệu dÆ°Æ¡ng (+) và nhờ từ lá»±c gắn kết nhau ở cấp nano (cá»±c mạnh) theo công thức cÆ¡ bản là:

 

P = f(M+m)tnp

 

         Trong Ä‘ó P là sá»± pôlime hoá, M là vật liệu (-) và m là vật liệu (+), còn t là trá»™n, n là nén và p là phÆ¡i.

 

Ví dụ trong đất cao lanh trá»™n vôi tôi, vá»›i công thức này, ông Ä‘ã tạo ra má»™t pôlime cứng chắc, gọi là bêtông đất sét. Đó là má»™t vật liệu xây dá»±ng cho nông thôn, nhờ giá mềm. 

 Vì có hai vật liệu khác nhau, trá»™n vào nhau để hoá Ä‘á (pretrification) nên loại MIP này có tính gián tiếp.

 

3-1. KIỂU MỸ: NỐI KẾT Cá»” ĐIỂN. Theo kiểu của Hoa Kỳ, lá»±c nối kết là hoá trị của nguyên tố và các nguyên tố nối được vá»›i nhau là nhờ ái lá»±c giữa chúng vá»›i nhau. Ví dụ Si và 2 O trong thạch anh và trong thuá»· tinh. Ái lá»±c của cả 2 đều rất mạnh. Si có hóa trị 2 và O cÅ©ng có hoá trị 2, kết thành má»™t mạng 3 chiều rất khó phá huá»·.

 

            Khi hoá trị được phân phối đều khắp, thì tác dụng nhÆ° nhau. Cho nên không có khái niệm rõ ràng trong sá»± nối hoá trị nhÆ° trên. Do Ä‘ó cần lá»±a rõ các hoá trị để tạo ái lá»±c.

 

            Lúc đầu, vào đầu thập niên thế ká»· 20, ngành hoá cổ Ä‘iển không thấy ra được sá»± hiện diện của má»™t pôlime vô cÆ¡ nào cả, nên qui cho hoá hữu cÆ¡ nghiên cứu về pôlime. cuối thập ká»· 90, cuá»™c cách mạng hoá học hoàn chỉnh: có pôlime vô cÆ¡ và có khả năng chế biến các pôlime vô cÆ¡, tạo ra composite vô cÆ¡, để phục vụ xã há»™i. Má»™t số Ä‘á thiên nhiên trong họ silicate, họ piroxenit cÅ©ng là pôlime vô cÆ¡. từ Ä‘ó tạo được thuá»· tinh và ngọc là những pôlime vô cÆ¡ đặc biệt.

 

3-2.   KIỂU BỈ: TỪ Lá»°C. Trường phái Bỉ và Châu âu dá»±a trên từ lá»±c. Ví dụ sá»± hoá Ä‘á của cao lanh rõ ràng là do từ lá»±c thúc đẩy. từ lá»±c là má»™t trọng lá»±c mạnh nhất và cụ thể nhất của trái đất. có nhiều vật liệu có âm tính (-) và có dÆ°Æ¡ng tính (+) rất rõ ràng. Khi trá»™n chúng vá»›i nhau, chúng có thể kết dính dÆ°á»›i dạng khoáng vật cÆ¡ bản, để cùng thành Ä‘á.

 

            Khoáng vật cao lanh cÆ¡ bản có từ tính âm, kết hợp khoáng vật ấy vá»›i vôi tôi Ca(OH)₂, nó kết lại vá»›i nhau. Vì vôi tôi có từ tính dÆ°Æ¡ng. NhÆ°ng sá»± kết dính ấy sẽ nhanh hÆ¡n, mạnh hÆ¡n nếu vật liệu nằm ở cấp cá»±c nhỏ nano. Muốn vật liệu ở cấp nano, không gì bằng nén mạnh sau khi trá»™n đều rồi phÆ¡i nắng. Thiên nhiên tạo Ä‘á trầm tích nhờ các yếu tố trá»™n, nén, phÆ¡i Ä‘ó, trong má»™t thời gian địa chất lâu dài, tạo ra má»™t môi trường kết dính vật liệu hoàn hảo. Sá»± hoá Ä‘á trầm tích từ vật liệu bở rời, có nén mạnh là bí quyết để tạo ái lá»±c giữa các khoáng vật cÆ¡ bản (khác vá»›i nguyên tố cÆ¡ bản) theo qui luật âm dÆ°Æ¡ng của từ lá»±c. Nó mở đường cho nghiên cứu nhiều vật liệu má»›i có ứng dụng thá»±c thiá»…n cho xã há»™i.

 

 

            NhÆ° vậy ta có trong thiên nhiên cÅ©ng nhÆ° trong nhân tạo, 2 nhóm pôlime là hữu cÆ¡ (organic) và không hữu cÆ¡ (non-organic). Nhóm sau này chia làm 2 phụ nhóm là inorganic, dịch là phụ nhóm vô cÆ¡, và phụ nhóm là mineral, dịch là phụ nhóm khoáng vật. Từ “mineral” cÅ©ng có nghÄ©a là vô cÆ¡.

 

            Nhóm inorganic có xÆ°Æ¡ng sống là nguyên tố Si (trong khi nhóm organic có xÆ°Æ¡ng 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 cÆ¡ bản vá»›i nhau, hay từng nhóm tinh thể cÆ¡ bản vá»›i các nguyên tố vá»›i nhau. Lá»±c kết dính Ä‘ó là từ lá»±c. Kết dính trá»±c tiếp nhÆ° tạo tinh thể cÆ¡ bản cao lanh (gọi là kaolinite) thành hạt nam châm siêu vi để hoá Ä‘á. Kết dính gián tiếp thì há»—n tạp hÆ¡n, bằng nhiều tinh thể cÆ¡ bản và nguyên tố thích hợp, có từ lá»±c âm, dÆ°Æ¡ng.

 

            Con đường nghiên cứu còn ở phía trÆ°á»›c. cái nào làm được pôlime đều làm những vật liệu má»›i có ích cho xã há»™i, hữu cÆ¡ cÅ©ng nhÆ° không hữu cÆ¡.

 

 

                                                                                                            PHẠM TUẤN NHI.

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