Undersøgelse afslører, hvordan polymerer slapper af efter stressende behandling

Polymererne, der udgør syntetiske materialer, har brug for tid til at afstresse efter behandling, sagde forskere. En ny undersøgelse har fundet, at sammenfiltrede, langkædede polymerer i løsninger slapper af med to forskellige hastigheder, markerer et fremskridt inden for grundlæggende polymerfysik. Resultaterne vil give en bedre forståelse af de polymere materialers fysiske egenskaber og kritisk ny indsigt i, hvordan individuelle polymermolekyler reagerer på højspændingsbehandlingsbetingelser.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , kunne hjælpe med at forbedre fremstilling af syntetiske materialer og har anvendelser inden for biologi, mekanik og materialevidenskab samt kondenseret fysik.

"Vores enkeltmolekyleeksperimenter viser, at polymerer gerne viser deres individualistiske adfærd, som har afsløret uventet og slående heterogen dynamik i sammenfiltrede polymeropløsninger, "sagde medforfatter Charles Schroeder, professor i kemisk og biomolekylær teknik og fakultetsmedlem ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois i Urbana-Champaign. "Et hovedmål med vores forskning er at forstå, hvordan enkeltpolymerer - der fungerer som individer - arbejder sammen for at give materialer makroskopiske egenskaber som viskositet og sejhed."

Ved hjælp af en teknik kaldet enkeltmolekyle fluorescensmikroskopi, forskere kan se - i realtid - som individuelle polymermolekyler slapper af efter strækningen, trække og klemme i fremstillingsprocessen. "Forestil dig at kigge ind i en skål med kogt spaghetti og se bevægelsen af ​​en enkelt nudel, mens skålen blandes, "Sagde Schroeder.

"Vi fandt ud af, at polymererne udviser en af ​​to forskellige afslapningstilstande, "sagde medforfatter og kandidatstuderende Yuecheng (Peter) Zhou." Den ene gruppe polymerer slappede af via en enkelt faldende eksponentiel hastighed, og den anden gruppe viste en tofaset proces. Den anden population gennemgår en meget hurtig indledende tilbagetrækning efterfulgt af en langsom afslapning. Eksistensen af ​​to forskellige molekylære populationer var uventet og ikke forudsagt af klassisk teori. "

Denne undersøgelse arbejdede med højmolekylær DNA, fordi den fungerer som en ideel model for andre typer syntetiske organiske polymerer, sagde forskerne.

"Vi valgte DNA som vores modelpolymer, fordi det er et meget stort molekyle, og kæderne er store nok til at forestille sig i vores mikroskop, "Sagde Schroeder." De har også alle samme vægt, hvilket gav os en meget ren, veldefineret system til dataanalyse. "

Forskerne fandt ud af, at procentdelen af ​​den molekylære subpopulation, der udviser den tofasede afslapningsadfærd, stiger, når den samlede polymerkoncentration stiger i de sammenfiltrede opløsninger.

"Vi er ikke sikre på, hvorfor single-mode afslapning eller hurtig tilbagetrækning synes at være koncentrationsafhængig, men det kan have at gøre med forbedret interpolymerfriktion - jo flere polymerer, jo større er chancen for at de interagerer, især ud af ligevægt, "Zhou sagde." Vi arbejder med teoretikere her på University of Illinois for bedre at forklare enkeltmodus og to-mode afslapningsfænomener. "

Teamet er begejstret for at bringe ny indsigt i forståelsen af, hvordan komplekse væsker flyder, og hvordan de behandles og fremstilles, især med polymerer, der udsættes for intens stress, f.eks. de væsker, der bruges til 3D-udskrivning.