Az utóbbi évtizedekben az óriásmolekulájú anyagok tanulmányozása elméleti és gyakorlati szempontból egyaránt rendkívül vonzóvá és hasznossá vált. Ezt bizonyítja az is, hogy a tavalyi kémiai Nobel-díjjal ismét – immár harmadízben – a makromolekuláris kémia egyik kutatóját jutalmazták.

Heinrich Wieland, aki 1927-ben kémiai Nobel-díjat kapott az epesavak és a velük kapcsolatos anyagok szerkezetének és keletkezésének kutatásában elért eredményeiért, azt tanácsolta Hermann Staudingernek, hagyja abba a nagy molekulák tanulmányozását, mivel 5000-nél nagyobb molekulasúlyú szerves molekulák úgysem léteznek. Alig 20 évvel később, 1953-ban, éppen a makromolekulák tanulmányozásában elért eredményeiért kapott H. Staudinger kémiai Nobel-díjat.

Hermann Staudinger joggal nevezhető a makromolekuláris kémia vezéregyéniségének (maga az elnevezés is tőle származik), ugyanis úttörő munkásságával ő helyezte szilárd alapokra korunk kémiájának ezt a fiatal ágát.

Tíz év múlva, 1963-ban a német Karl Ziegler és az olasz Giulio Natta vette át a Nobel-díjat az óriásmolekulák kutatásáért, valamint a technika és ipar számára rendkívüli jelentőségű polietilén és polipropilén előállításáért.

Úgy tűnik, a Nobel-bizottság nagyjából tízévenként tér vissza ehhez a látványosan fejlődő kutatási ághoz, ugyanis a díjat 1974-ben Paul J. Flory-nak, a Stanford Egyetem (Kalifornia, USA) tanárának ítélte oda az óriásmolekulák fizikai-kémiája területén elért alapvető elméleti és gyakorlati eredményeiért.

Paul J. Flory közel negyven éve foglalkozik a makromolekuláris kémia szinte minden lényeges kérdésével. Tanulmányozta az óriásmolekulák szerkezetét, a polimerizáció mechanizmusát, a szilárd polimerek és a polimeroldatok tulajdonságait.

A tavalyi Nobel-díj először is a már említett H. Staudingernek a makromolekulákkal kapcsolatos elméletét juttatja eszünkbe. Staudinger állapította meg, hogy – egyes korábbi feltételezésektől eltérően – az óriásmolekulák nem fizikai úton, a molekulák egyszerű tömörülésével, hanem sajátos kémiai folyamatokban keletkeznek, amelyek során a makromolekulákat képező nagyszámú atom főleg kovalens kötéssel kötődik egymáshoz. Ami azt jelenti, hogy az óriásmolekula alkotórészei nem „részleges vegyértékkel” vagy „másodlagos erők által”, hanem fővegyértékeikkel kapcsolódnak össze. így a makromolekulás rendszerek fizikai és kémiai tulajdonságai nem „sui generis” szerkezeteket, hanem megismerhető, modellezhető struktúrákat határoznak meg, amelyek ugyanolyan mértékben vetik alá magukat a statisztikus termondinamika, kinetika és mechanika törvényeinek, mint a nem polimer anyagok.

P. J. Flory mint fizikai-kémikus véglegesen elfogadottnak tekintette H. Staudingernek a makromolekulákkal kapcsolatos elméletét és kutatásai során a nagy előd és kortárs tudós által vágott csapáson indult el. Elsőként alkalmazott valószínűségszámítási módszereket a polimerizáció és a polikondenzáció folyamatainak leírására,

Flory vezetett le összefüggéseket a híg polimer oldatban levő polimer molekulák konformációs entrópiájára és entalpiájára, majd ezeket a termodinamikai jellemzőket kapcsolatba hozta a polimer molekulák között fellépő intermolekuláris, illetve ugyanazon polimer molekula szakaszai között fellépő intramolekuláris kölcsönhatásokkal.

Tekintsünk egy gyakorlati példát. Az annyira jól ismert nylon-típusú polimerek egyszerű láncreakció során, egy amin csoport (–NH2) karboxil csoporttal (–COOH) történő kondenzációjával jönnek létre. Az ilyenfajta reakciók lefolyásával kapcsolatban a harmincas években még az a felfogás uralkodott, hogy egy bizonyos funkciós csoport reaktivitása a molekulahossz mentén csökken. Ezzel szemben Flory más álláspontra helyezkedett: új elméletet dolgozott ki az atomok, atomcsoportok (szubsztituensek) polimerláncon történő eloszlásával kapcsolatban. Kimutatta, hogy adott körülmények között (oldószer, hőmérséklet, nyomás, töménység) a reaktivitás nem a molekula teljes hosszától, hanem a helyi konfigurációtól függ. (A konfiguráció nem tévesztendő össze a konformáció fogalmával; az első az adott atomhoz kapcsolódó szubsztituensek sorrendjét adja meg, utóbbin pedig a kiszemelt atomhoz kapcsolódó szubsztituenseknek a szomszéd atomon vagy atomokon lévő szubsztituensekhez viszonyított térbeli helyzetét értjük. Eliel konfiguráción az atomoknak vagy atomcsoportoknak a molekula egyik aszimmetrikus vagy merev része – legegyszerűbb esetben egy szénatom – körüli térbeli elrendezését érti.)

Mint minden újdonságot, kezdetben Flory elméletét is sokan kétségbe vonták, körülötte számos vita alakult ki. Bár ez az 1936-ból származó elmélet akkori formájában meglehetősen pontatlan volt, mégis, a jelenlegi kromatográfiás eljárások számos meggyőző bizonyítékkal igazolják érvényességét.

A negyvenes évek tájékán Flory új kiemelkedő felfedezéssel gazdagította a polimerizáció mechanizmusának mélyebb megismerését. Ez a felfedezés az olefinek polimerizációjával kapcsolatos. Egyes telítetlen szénhidrogének polimerizációját már a múlt században ismerték. Első ízben 1873-ban sikerült Butlerovnak polimerizálnia izobutént kénsav jelenlétében.

A nagypolimerek makromolekulás szerkezetét 1925-ben H. Staudinger ismerte fel. 1930-ban tisztázódott az is, hogy az olefinek láncreakcióban polimerizálódnak.

A telítetlen szénhidrogének polimerizációja két reakciómechanizmus: gyökös és ionikus mechanizmus szerint folyhat le.

(Ezek az alapvető tudományos felfedezések tették lehetővé a műanyagipar nagyméretű fejlődését.) Az olefinek gyökös polimerizációjának magyarázatára Flory javasolta elsőként a láncátadás (-transzferálás) mechanizmusát. Kimutatta, hogy a láncátadás globális eredményeként a polimerizációs fok csökken (a reakciósebesség nem), és ugyanakkor elágazó, valamint hálós szerkezetű óriásmolekula jön létre. A láncátadási reakció felismerésének nagy gyakorlati jelentősége van, különösen az ipari polimerizációs eljárások esetében, például a műgumi gyártásánál.

A makromolekuláris kémia egyik igen érdekes és korszerű kérdése a híg polimerek termodinamikai jellemzőinek és a gumihoz hasonló szerkezetű anyagoknak a tanulmányozása. Flory volt az első, aki (az ötvenes és hatvanas években kidolgozott munkáiban) felismerte azt, hogy a híg polimeroldatokban mindig található olyan hőmérséklet, amelyen a hosszú tartományú kölcsönhatások kiküszöbölhetőek.

Adott polimer-oldószerben ezt a hőmérsékletet Flory-féle hőmérsékletnek vagy théta-pontnak nevezik. Másképpen kifejezve: a Flory-féle hőmérséklet az a hőmérséklet, amelyen a polimerlánc egy meghatározott oldószerben vagy oldószerelegyben zavarmentes dimenziójában létezik. (Természetes, hogy a polimer ilyen körülmények között tanulmányozható a legjobban, az ilyen kísérleti feltételek mellett mért statisztikai jellemzőket pedig zavarmentes közepes hossznak, illetve „perturbálatlan” közepes összecsavarodottság méretének nevezik.)

A fentiekben – szükségszerűen szűkszavúan – ismertetett kutatási kérdések csak egy részét képezik Flory több évtizedes munkásságának. Ezek mellett Flory foglalkozott a szintetikus- és biopolimerek kristályos tulajdonságaival, továbbá azon is dolgozott, hogy az egyedi polimermolekulák szerkezeti jellemzőinek ismeretében értelmezze a különböző típusú polimerek makroszkopikus tulajdonságait.

Paul Flory magánéletében halk szavú, komoly és szerény. Egyik cikkéből idézünk:

„Hogy van az, hogy a polimerek, melyek állítólag a rendezetlen összetettség példái, egyszerű, majdnem egzakt és pontos módszerekkel is vizsgálhatók? A közvetlen válasz előtt érdemes felfigyelni arra, hogy a tudományban az egyszerűség vagy összetettség szubjektív probléma, nézőpont vagy tisztánlátás kérdése. Az eredmény a megfigyelőtől függ: sem az egyszerűség, sem az összetettség nem eleve meglevő jellemzője a vizsgálat tárgyának.”

Flory-nak a jelenségek lényegébe hatoló ösztöne és roppant összegező képessége még további új, meglepő tudományos felfedezéseket ígér.

Megjelent A Hét VI. évfolyama 27. számában, 1975. július 4-én.