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摘要：高分子以及相关专业均要学习高分子物理学这一基础专业课，作为为后续专业课进行铺垫的必要入门课程，高分子物理学是一门由普通物理与高分子实际应用相融合而得到的一门应用型学科，在学习高分子物理时，学生们不仅要了解并且掌握许多高深的物理基础理论，而且还要学会灵活运用已知的基本理论来解决实际问题。高分子物理学作为一门交叉学科，基础知识繁杂是不可避免的，这也导致许多学生觉得章节之间联系不紧密，有些毫无系统性可言。正因为难以把握高分子物理学习的技巧，这让许多学生都感到了困难，甚至产生畏惧情绪，继而影响到了后续其他专业课的学习。
关键词：高分子物理学；构象概念；教学
本文引用格式：孙鹏飞.以构象概念为主线的高分子物理教学实践[J].教育现代化，2019，6（11）：78-80
高分子物理学是一门建立在大量概念之上的专业学科，学习中遇到的看似抽象的概念都来源于实际问题，是前人为我们总结出来的精髓。在长达多年的高分子物理教学实践中，人们发现，高分子物理学的每一章节都与“构象”这一概念紧密相关。正如一串美丽的珍珠，它们能够连接是因为有一根串起珍珠的线，而高分子物理中的重要概念就像一颗颗夺目的珍珠，构象概念就是将它们连接成美丽项链的重要条件。所以学生们一定要认真掌握构象概念，让自己能够串起属于自己的美丽项链。
一 构象概念简介
在有机化学教材中，构象表示一种由于原子或原子基团围绕其内部含有的单键不断进行内旋而产生的空间分布。而在大分子科学中，这种构象则被称为微构象或者局部构象。宏构象或分子构象是指，高分子能够沿自身主链的微构象序列，影响了整个分子链的构象。由于微观结构中的分子数目众多，高分子链产生的构象形态复杂众多并且不停变化，高分子物理上将这种特别的空间特征定义为柔顺性。构象这一概念是十分形象的，并不是找不出实例来描述。只要教师能够结合学生的知识背景，精心设计讲课内容，在重点处多加强调，试着活跃课堂气氛，就能将构象概念根植于学生心中。
存在于高分子主链上的单键，其两端的原子或者基团能够在不破坏单键的基础上进行自有旋转运动，由此来看，单键的自有旋转能够在保护主链化学键的同时实现构象变化。内旋转构象会受到高分子链结构多样的影响，但是如果一一列举其中的细节将会是一个非常大的工程，所以在实际教学过程中，我们要让学生明白在这些特殊性能中，构象代表了高分子链接经过粗粒化处理以后所形成的一种普遍现象。用我国的绘画技法来形象的表示构象概念可以概括为“远人无目，远水无波，远树无枝”。构象研究的尺度是人用肉眼无法看到的纳米数量级（10-9米），这样的尺度人用肉眼看到的知识一条条折来折去的线，其中的分子链细节已经看不到了，在物理学上称此为无规线团。这也是高分子链所存在的共同特性。
构象的数目是非常庞大的，这一点教师可以通过讲解“在象棋盘里放大米”的故事来加深学生的理解。这些庞大数目的构象是一成不变还是时刻在变化也会引起学生的好奇，实际上在玻璃态和结晶态下，构象是固定不变的，只有满足一定条件，才会发生变化，这一点教师可以通过讲解S=klnΩ公式让学生更好的理解。
二 高分子物理中力学特性与构象的关系
（一）力学形态变换与构象
高分子材料由于在不同外力或不同温度的作用下的不同特性，其力学特征也会相应发生变化，我们将其称为“力学状态”。伴随温度的不断升高，高分子材料能过从玻璃态变为橡胶态最终达到粘流态。而为什么高分子材料能够经过这三种状态变得有时坚硬而有时柔韧呢？正是因为之前描述的，随着温度的变化，高分子材料的力学状态在不断进行转换，在这几个变化中，玻璃态向橡胶态的转化是非常重要的主要转变。因为这一阶段的变化是被“冻结”的长链在逐渐“解冻”的过程，这个过程中所需要的温度也是能够控制这一段长链构象稳定的温度。达到了橡胶态的长链其构象可以自由变化。其实我们平时所观察到的橡胶的柔韧或者塑料的坚硬，都只是一个表象，而内部原因都是因为它们的链的构象无法自由变换。
（二）高弹性与构象
在高分子材料中，高弹性又叫熵弹性，而像硅酸盐一类的小分子材料的弹性则被称为普弹性。正因如此，作为高分子材料，高弹性不仅决定了高分子材料的特性，还对高分子与小分子材料之间进行了划分。这时，我们能够运用构象的来变化来很好地解释高分子特性于小分子之间的根本区别。
像硅酸盐、金属材料一类的小分子材料，弹性形变是由于化学键的键角、键长收到外力而发生了一些微小的形变，这一过程中外力对材料做的功被原子以势能的形式储藏起来，并没有能量的释放，因此普弹性也被通常称为能弹性。由于普弹性仅仅是因为化学键的变化而发生的，所以像橡胶材料这样的大型形变肯定不仅仅只是化学键的改变就能完成的。我们此使用构象概念，就可以解释这一情况了。在发生高弹性形变时，链与链之间相对位置不会变，只是链的构象发生改变，外力做功的能量大部分都被用于改变链的构象熵，进而使得链的内能变化很小，所以链的高弹性形变实际上是熵的变化。橡胶的熵能够有如此明显的变化，是因为高分材料具有数目巨大的构象，而小分子材料则不具有这种依靠构想数目来产生的高弹性变。
（三）取向与构象
高分子材料的特点之一就是取向，高分子材料中空间结构高度不对称的分子长链为取向的发生带来了可能，在某些情况下，是必然可以发生的。在这里，取向分子的也是由于构象变化而产生的。取向是整个分子长链或者某段链沿着外力占优势的方向进行排列，而解取向类似于前文的“解冻”，是指已经发生取向的分子在某些场力的作用下，例如高温，重新在热运动的情况下恢复之前无序的状态。因为解取向，与取向过程恰好相反，这样举例能够帮助学生更好的理解。我们所熟知的聚氯乙烯热收缩膜就是充分利用了解取向的过程，这样能够使得PVC塑料实现包装简单并且使用方便的效果；又例如我们生活中经常看到的现象，不能够使用开水熨烫化学纤维性的衣服，但是可以用开水熨烫棉布，教学中可以用这种现象来引导学生，让学生结合所学知识解释这种现象。普通的涤纶和尼龙在超过80℃的时候就会发生玻璃化转变，纤维性衣物在100℃开水作用下就会缩水。取向和解取向都是构象在受到一定外界条件才发生的，而在这些条件不存在时，分子的取向就暂时是稳定的。这是我们因向学生解释清楚，我们说的稳定是指取向发生的过程很慢，速度缓慢到在其使用寿命内都不会被察觉，更不会影响使用情况。许多高分子材料就是由于这种特点，被人们广泛利用，去获得不同的具有特殊性能的材料。
（四）流变与构象
人们需要研究非牛顿流体的流动变化规律，因此流变学应运而生。高分子液体，就属于非牛顿流体，在流动中既能发生可回复的弹性形变也能发生永久的粘性形变，例如熔体和浓溶液。高分子液体在流动中也能发生弹性形变，此时的表现为：稳定性极差、应力差现象、爬杆情况、挤出胀大，等等。由于流体科学研究的主要是液体，我们可以发现，流体中的弹性形变仍是构象变化所带来的特殊规律。液体在流动时内部会产生应力，这时应力使的高分子结构内部在应力作用下发生按照一定规律的排列，具有一定的有序性，所以此时液体黏着度降低，在流速很快时，应力更明显，就更能表现出弹性形变的特点。
三 溶液中高分子的凝聚与挤出胀大现象
在高分子物理中，溶液始终占据着重要的地位。正是因为似晶格模型所揭示的理想溶液，与高分子实际溶液之间的巨大差距，才使得人们注重了这项研究，展开了对高分子物理学的深入研究。这项稀释溶液的理论，至今仍是高分子科学中重要的里程碑之一。而我们发现，高分子溶液的稀释过程恰好是高分子链的凝聚过程。根据不同的变化，可以将高分子溶液分成许多不同的等级名称，这些分子链之间发生的相互凝聚转变、穿透、关联、缠绕等等变化，这就被定义为“溶致凝聚”，又因为高分子材料不存在气态，所以这些变化过程之间的相互关联是溶液变化中的一个重要特征，这也可以通过构象变化来解释。构象也可以帮助我们进一步去理解大分子链之间具有的凝聚本质。
挤出胀大是指高分子熔体从模具口部被挤出之后，挤出物体的最终口径大于模具的尺寸。这是由于，当高分子材料经过模具口时，瞬间受到巨大的应力，高分子链通过构象调整沿着挤出的方向取向，并且在此过程中还会产生一定的弹性形变，此时分子的热运动不足以消除这种形变。而在高分子液体离开模具口时，应力突然消失，取向消失，熔体又恢复为无序状态，这就形成了挤出胀大现象。
四 关键浓度的构象变化
（一）分析稀溶液中的孤立分子链构象
在浓度低的溶液中，分子链之间的距离是比较远的。其中单链的柔顺性、结构单元的远程相互作用以及与溶剂之间的作用，决定了孤立分子链的构象。对自由连接链模型进行描述的过程中，构象会受到结构单元远程相互作用及与溶剂相互作用之和的影响，这种相互之间的作用可以用体积u来表示。
（二）分析亚浓溶液中分子链构象
当溶液的浓度逐渐增大时，其中的分子链会出现相互交叉和重叠的现象，也会促使链段在溶液中的分布越来越均匀，这就是我们所说的亚浓溶液。虽然浓度有所增加，但是从近距离来观看，亚浓溶液中的每个结构单元依然被溶剂所包围，可是从远一点的角度来看，就不难发现分子链之间已经实现了相互渗透。这样就会促使分子链之间发生长程关联效应，也就是说一根链的周围已经有许多其他链存在，促使每条链之间相互反应，而这些作用就会阻挡一条链上距离较远的单元之间的反应。亚浓溶液以及稀溶液中的分子链大小与溶液浓度的大小是呈反比例的。
（三）分析浓厚体系中分子链构象
当溶液中的分子之间相互缠绕，各处链段逐步在溶液中分布均匀，并且达到一定的临街浓度时，就会形成我们所说的缠结浓度，而一般浓溶液的浓度时刚刚超过缠结浓度的溶液。虽然长程关联的长度会随着溶液浓度的增大而减小，但是不会减小到0。从这个角度来看，一般浓溶液和亚浓溶液中的分子链构象是大致相同的，只是在不同尺度的分子链上会变现出不同。
五 结束语
深入理解构象的概念以及在各种高分子变化过程中的构象变化，是系统学习高分子物理的关键，在高分子物理的教学中也占据了重要的地位。在讲授一门课程时，应该时刻注意为学生的后续学习进行铺垫，不断强调体系的重要性，介绍清楚每一个新接受的知识点，这样能一定程度的帮助学生克服畏难情绪。而且教师在进行授课过程中总是轻描淡写的带过物理概念，而是应该告诉学生在后续的学习中有着怎样的用处该如何使用或者是在体系中的重要作用。还可以为学生推荐一些经典名著，提高学生的兴趣。帮助学生打下一个坚实的基础，并且不断具有实际的解决问题的能力和创造力，激发学生的学习热情和积极性，也是教师的责任之一。
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