Forskere afslører, hvordan bløde materialer reagerer på deformation på molekylært niveau

Inden vi designer den næste generation af bløde materialer, forskere skal først forstå, hvordan de opfører sig under hurtigt skiftende deformation. I en ny undersøgelse, forskere udfordrede tidligere antagelser vedrørende polymeradfærd med nyudviklede laboratorieteknikker, der måler polymerstrøm på molekylært niveau.

Denne tilgang kan føre til design af ny biomedicinsk, industrielle og miljømæssige anvendelser - fra polymerer, der hjælper med blodpropper til materialer, der mere effektivt udtrækker olie og gas fra brønde.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

At forstå mekanikken i, hvordan materialer molekylært reagerer på skiftende strømme, er afgørende for at udvikle materialer af høj kvalitet, sagde forskerne, og at definere en ramme for fortolkning og beskrivelse af disse egenskaber har unddraget forskere i årtier.

"Når polymere materialer - syntetiske eller biologiske - deformeres, de reagerer på både makroskopiske og molekylære skalaer, "sagde Simon Rogers, en professor i kemi og biomolekylær ingeniør fra Illinois og hovedforfatter af det nye studie. "Forholdet mellem de to responsskalaer er komplekst og har været, indtil nu, svært at beskrive. "

Tidligere undersøgelser har forsøgt at karakterisere forholdet mellem den mikroskopiske og makroskopiske adfærd ved polymer deformation matematisk, sagde forskerne, men har ikke været i stand til at knytte fysikken til nogen veldefinerede mikrostrukturelle observationer.

"I vores undersøgelse, vi ønskede at måle både de strukturelle og mekaniske egenskaber af polymerer under deformation, direkte kaster lys over oprindelsen til unikke mekaniske egenskaber, "sagde Johnny Ching-Wei Lee, en kandidatstuderende og studieforfatter. "Vi tænkte, at det måske var bedst at prøve at bruge direkte observationer til at forklare den komplekse fysik."

I laboratoriet, forskerne målte samtidigt multiskala deformationer ved at kombinere traditionelle værktøjer til måling af stress og deformation på makroskopisk niveau med en teknik kaldet neutronspredning for at observere strukturen på molekylær skala.

Holdet fandt noget uventet.

"Med samtidig neutronspredning og flowmålinger, vi er i stand til direkte at korrelere struktur og mekaniske egenskaber med en tidsopløsning i størrelsesordenen millisekunder, "sagde studieforfatter Katie Weigandt, en forsker fra National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Science. "Denne tilgang har ført til grundlæggende forståelse for en bred vifte af nanostrukturerede komplekse væsker, og i dette arbejde, validerer nye metoder til at foretage målinger af polymerflow. "

"Tidligere forskning havde antaget, at mængden af ​​anvendt deformation på makroskalaen er, hvad bløde materialer oplever i mikroskalaen, "Sagde Lee." Men neutronspredningsdataene fra vores undersøgelse viser klart, at det er deformationen, der kan genoprettes, der betyder noget, fordi det dikterer hele reaktionen, hvad angår makroskopisk strømning - noget der tidligere ikke var kendt. "

Forskerne sagde, at denne udvikling vil hjælpe med at rette op på flere dårligt forståede fænomener inden for polymerforskning, f.eks. hvorfor polymerer ekspanderer under tredimensionelle udskrivningsprocesser.

"Vi er kommet med det, vi kalder et struktur-ejendoms-behandlingsforhold, "Sagde Rogers." Denne subtile, men alligevel fundamentalt anderledes måde at tænke på polymeradfærden på, opsummerer det, vi ser som et simpelt og smukt forhold, som vi forventer vil være ganske indflydelsesrige. "

Forskningen bringer nøgleindsigt i den mangeårige udfordring inden for blødt kondenseret materiale, og teamet sagde, at de etablerede forhold mellem struktur og ejendom-behandling kunne give et nyt designkriterium for bløde materialer.