無規線團(random coil)
把一條又長又軟的鏈——一串珠鏈、一段煮熟的義大利麵、一條鬆垮的水管——丟到地上,它會落成鬆散不規則的一團:不是直線,不是緊球,就是一堆沒形狀的東西。熔體或溶液中的柔性高分子鏈也一樣,而這種典型的糾纏形狀就叫無規線團。它是高分子物理裡最重要的一幅圖像,因為這正是一條普通鏈幾乎所有時候都採取的形狀。
要講精確,物理學家把鏈模型化為一次隨機漫步:從一端出發,走 N 步,每步長度固定為 l,但每步都指向全新的隨機方向(自由連結鏈)。鏈像醉漢的路徑一樣遊走。了不起的結果是:雖然完全拉直的長度(輪廓長度)是 N 乘以 l,兩端之間的平均直線距離卻小得多——均方根末端距只有 l 乘以 N 的平方根。平方根就是整個重點。取 N = 10000 步、l = 0.25 nm:輪廓長度是 2500 nm,但均方根末端距是 0.25 x sqrt(10000) = 0.25 x 100 = 25 nm——線團比拉直的鏈緊實約一百倍。末端距服從鐘形(高斯)分布,所以線團沒有單一明確的大小,只有一個典型的散布範圍。
這很重要,因為高分子熔體、高分子溶液、以及固態高分子的非晶區,全都只是彼此穿插的無規線團所組成的密集集合。線團圖像解釋了橡膠彈性(拉伸把鏈解捲、降低其熵,而重新捲回的驅力把橡膠拉回來),它決定熔體的黏度,也是衡量每一條真實鏈的基準。真實鏈並非完美自由連結——固定的鍵角與龐大的側基使它變硬——所以我們把幾個真實鍵併成一個有效的庫恩(Kuhn)鏈段,用較長的有效步長就能還原同樣的平方根定律;較硬的鏈只是庫恩長度較長、線團較大。
小角度中子散射能在一片普通鏈的海洋中挑出一條標記過(氘化)的鏈並量測其尺寸。以典型的聚苯乙烯熔體而言,答案證實了無規線團定律:鏈填滿一個數十奈米寬的瀰散團塊,其尺寸隨分子量的平方根增長——證明即使在熔體裡肩並肩緊擠,每條鏈仍保持自己理想的無規線團形狀。
無規線團是鏈的隨機漫步糾纏:均方根末端距 = l 乘以 sqrt(N),遠小於輪廓長度。
無規並不代表沒有大小或沒有規律:線團的尺寸嚴格遵守與鏈長的平方根比例。而且真實鏈並非真的自由連結——固定鍵角使它變硬——所以要用庫恩鏈段、而非化學鍵,來衡量它的尺寸。