构象概念主线在高分子物理课程中的实践探讨*

孙鹏飞，范曲立

(南京邮电大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210003)

高分子概念的提出只有100多年的历史，经过百年历史的发展高分子学科已经占据了化学学科的半壁江山，同时高分子材料在人们的日常生活中也占据及其重要的地位。在高分子学科的发展及建立过程中，高分子物理是极其重要的一部分。在高分子物理中主要讲述高分子与其他分子或材料的本质物理学行为的区别。同样，由于高分子物理行为与小分子的不同也使其学习较为枯燥、困难[1-3]。前人多年的高分子物理教学实践中发现高分子物理的学习中存在一条主线，即高分子链的构象。高分子物理的每一章节几乎都与构象概念紧密相关[4-5]。如何将构象这条珍珠串连在高分子物理的教学过程中使用好，学习在逐步的学习及最后的复习中认识清楚是高分子物理课程能否讲好的关键点。

1 构象概念及在高分子物理中的串联作用

构象概念来源于有机化学，其表示原子或原子基团由于围绕单键不断进行内旋而产生的空间分布。小分子中分子的长度较小这种单键的内旋转不会对其性质产生重要影响。而在高分子中分子量高达上万甚至上百万，这种构象的变化就会对高分子材料的性质产生重要的影响。因此，在高分子物理的各个章节均与构象概念相关，如在远程结构部分主要讨论的是理想高分子链中构象行为，使理想高分子的均方末端距符合高斯分布并形成无规线团的概念；高分子的运动部分也涉及高分子链中链段和整条链的运动；高分子溶液中高分子的溶解过程及混合热的推导也是和高分子链的构象相关；在热塑性塑料的应力-应变曲线中冷拉阶段高分子链的构象变化与高弹态即有关又存在区别。所以在高分子物理的教学过程中应该紧紧抓住高分子链的构象变化这条主线，并在每章节的教学过程中让学生理解构象行为在各个章节的异同之处。

下面笔者将以构象主线的教学过程举几个实例讲述在教学过程中的运用。

2 远程结构中的构象及柔顺性

我们知道，高分子长链中单键的内旋转使高分子链的构象及形态发生了巨大变化，虽然高分子链构象的变化不会破坏化学键，然而其转换需要外界能量。在高分子物理的远程结构章节，为表征高分子链的大小在高分子物理中引入了均方末端距的概念，为表征高分子链构象变化的能力引入了柔顺性的概念。这两个概念即分离又相互依存，在教学过程中需要学生理解两者之间的联系和区别。针对理想的高分子链不考虑单键旋转的位能差，这样单键的选装可以使高分子链一直处于形态的变化之中，通过几何推导方法推算出理想高分子链的均方末端距。真实的高分子链单键的内旋转是存在位垒的，虽然高分子可能存在的形态会有减少，但仍是非常大的一个数目，同时真实高分子链构象相对于理想高分子链的均方末端距就会增大[6]。

在教学中需要通过高分子链的形态数目来表示构象的变化，使学生将高分子链的均方末端距、柔顺性和外界的环境相联系。特别是柔顺性表示的真实高分子链的构象变化能力，需要学生理解这种变化能力即是构象数目的多少也是单键内旋转能力的大小。在此次，还需要强调高分子链的运动是和外界条件相依存的，当外界热量比较高的时候高分子链容易运动，这样高分子链的柔顺性就好，高分子链可以形成的构象数也就越多。在此外特别需要向学生强调是末端距更多的是从整条高分子链的角度出发看待问题，而讨论高分子链的化学机构对柔顺性影响的时候则更多是从高分子链的内部出发看待问题。

3 不同状态的下的高分子链构象

在高分子的远程章节，学生学习了高分子的构象，但此次的构象更多的是针对理想高分子链，在真实的各种物理状态中高分子链的构象则更加复杂，并且又相互依存。高分子溶液的章节，高分子溶液中高分子处于外界的溶剂分子的包围中，虽然在教学过程中主要讲述高分子链的溶解过程及溶解过程的热力学变化。笔者认为，在此章节也必须向学生强调高分子溶液中的构象行为，如在理想溶液中高分子链的构象和理想的高分子链形式是一致的，也可以说是接近理想高分子链的无规线团形式，当在不良溶剂中高分子链则更倾向于收缩状态，量溶剂是高分子链则是扩展状态，这里看待高分子链的时候不应该过渡的考虑分子链的运动，而应该关注整个高分子链的大小。与高分子溶液相反，在结晶高分子中构象则关注的是高分子链的局部状态，结晶高分子中高分子链的各个连接或者链段是固定的(以锯齿状态或螺旋链存在)，是高分子链中单键的内旋转被阻止。如果从高分子链的整体看待，高分子则不是全部卷曲在一起，而是保持高分子溶液或熔融状态的无规线团状态。

4 高分子运动及力学状态中的构象

高分子材料之所以能够应用到我们日常生活的各种场所，根源就来自随着高分子的种类不同和高分子随外界环境如温度、外力的改变，其能够表现出不同的微观构象的变化，并表现出宏观的行为状态及行为的变化。在高分子物理中主要有两个章节设计设计高分子链与温度和外力因素的关系。在高分子链的运动章节(形变-温度曲线)中高分子力学特征即会随外界温度的不断升高，高分子的状态依次经历玻璃态-橡胶态-粘流态。如何让学生理解三种状态的本质区别是学生理解的关键。在玻璃态的高分子材料主要可以作为塑料使用，这种状态高分子链的运动以侧基等小运动单位为主，所以材料表现为虎克弹性形变，表现为坚硬的材料。当到达高弹态时，高分子链中的链段可以运动，这样高分子构象的变化就越为剧烈，材料就变得柔软可以作为橡胶使用。温度继续升高到粘流态使整个高分子链都可以发生运动，高分子链的构象变化就更为活跃、同样也变得更为复杂，高分子材料表现为可以流动的液体状态。

高分子链的构象变化在单独的章节内需要讲述，同样也需要跨章节进行讲述。和应变-温度曲线相对于的是塑料的断裂-屈服章节的应力-应变曲线。在应变较小时高分子材料表现为虎克弹性行为，表观为热塑性的塑料，在这个状态高分子链的运动单元为侧基等小运动单元。但高分子材料发生屈服以后高分子材料进入冷拉阶段，这个时候高分子链的运动单元也变成了链段，这个和高弹态是一样的，并有专业的名称叫强迫高弹态。在教学中应该给学生同时讲述两个章节的两个曲线变化。这样学生就能够理解同样的高分子链的运动和构象的变化是来源于温度的升高和外界的拉力。

5 高分子流动状态的构象

前面部分讨论的是高分子链在静止状态的构象，当高分子链在溶液状态或者熔融状态整体高分子链开始发生运动，所以看待高分子链的构象时应该把高分子链看成一个整条，但又不能因为高分子链整体是运动的而忽略高分子链内部的单键内旋转。如高分子溶体属于非牛顿流体，在外力作用下流动时会发生可回复的弹性形变也能发生永久的粘性形变。这部分对学生讲述时需要强调把高分子链看成一条线，拉伸后发生了类似于液体的粘性流动，但高分子链不是单纯的一条线，高分子链内部还存在单键的内旋转，高分子还是倾向与回缩，这样就给高分子熔体或溶体带来了弹性。同样在高分子的粘弹性行为是也需要给学生强调高分子链构象的变化。

6 结 语

高分子链的构象来源于单键的内旋转，而高分子链的构象又不局限于单键的内旋转，更多的是表现为这种旋转对整体高分子链的运动及整体的状态的影响。所以在高分子物理的教学过程中不能把各个章节的内容孤立开来，应该在讲述的过程中紧紧抓住高分子链的构象概念及变化展开。在学生对高分子物理进行复习时不要只是通过死记硬背各个孤立的知识点，也需要通过构象把整本书串起来。