Fysik af komplekse væsker:Ringpolymerer viser uventede bevægelsesmønstre under forskydning

Forskydning af væsker - hvilket betyder glidning af væskelag over hinanden under forskydningskræfter - er et vigtigt begreb i naturen og i rheologi, videnskaben, der studerer stofs strømningsadfærd, herunder væsker og bløde faste stoffer. Forskydningskræfter er sidekræfter, der påføres parallelt med et materiale, hvilket inducerer deformation eller glidning mellem dets lag.

Væskeforskydningseksperimenter tillader karakterisering af vigtige rheologiske egenskaber såsom viskositet (modstand mod deformation eller flow) og thixotropi (fald i viskositet under påvirkning af forskydning), som er vigtige i applikationer lige fra industrielle processer til medicin. Undersøgelser af forskydningsadfærden af ​​viskoelastiske væsker skabt ved at introducere polymerer i newtonske væsker er allerede blevet udført i de seneste år.

En ny tilgang i den nuværende forskning involverer imidlertid overvejelse af polymertopologi - det rumlige arrangement og struktur af molekyler - ved at bruge ringpolymerer. Ringpolymerer er makromolekyler sammensat af gentagne enheder, der danner lukkede sløjfer uden frie ender.

Et spørgsmål om at linke

Førsteforfatter Reyhaneh Farimani forklarer, "Til vores computersimuleringseksperimenter under forskydning overvejede vi to lignende typer af forbundne ringpar:En hvor koblingen er kemisk, kaldet bundede ringe (BR'er), og en hvor koblingen er mekanisk via en Hopf-link, kaldet polycatenaner (pc'er)."

Der blev lagt særlig vægt på at tage højde for hydrodynamiske interaktioner gennem passende simuleringsteknikker, hvilket viste sig at være afgørende, eftersom et delikat samspil mellem fluktuerende hydrodynamik og topologi styrer de nye mønstre.

Resultaterne var overraskende:På den ene side var responsen fra de to komponenter, BR'er og PC'er, meget forskellige fra hinanden - og på den anden side var den klart forskellig fra forskellige andre polymertyper, såsom lineære , stjerne eller forgrenet. Især er det dominerende dynamiske mønster i andre polymerer under forskydning ("vorticity tumbling") enten undertrykt (BR'er) eller praktisk talt fraværende (PC'er) i disse topologisk modificerede polymerer.

Uventede typer tumbling

"Det, vi opdagede," siger Christos Likos, medforfatter til undersøgelsen, "er fuldstændig uventede dynamiske mønstre i begge ringpolymertyper, som vi kalder gradient-tumbling og slip-tumbling." På grund af et samspil mellem hydrodynamik og ringtopologi tumler BR-molekylerne rundt i gradientretningen, som er vinkelret på hvirvel- og strømningsakserne. BR'er viser sig at være i en kontinuerlig gradient-tumlende bevægelse under forskydning.

Tværtimod bliver pc'er tynde, orienterer sig tæt på strømningsaksen og bevarer en fast, strakt og ikke-tumbling konformation under forskydning. I stedet udviser pc'er på grund af deres ejendommelige form for mekanisk forbindelse intermitterende dynamik med lejlighedsvis udskiftning af de to ringe, når de glider gennem hinanden, et mønster, som forfatterne til papiret kalder slip-tumbling.

Disse uventede bevægelsesformer, som bærer unikke signaturer af polymerforbindelsernes topologier, understreger vigtigheden af ​​samspillet mellem hydrodynamik og polymerarkitektur. Faktisk fandt forskerne i deres simuleringer, at når tilbagestrømningseffekterne er kunstigt elimineret, forsvinder forskellene mellem BR'er og pc'er.

Disse dynamiske tilstande har også en mærkbar effekt på opløsningens mekaniske egenskaber, da BR'er frigiver interne spændinger ved tumbling, hvorimod pc'er lagrer spændinger permanent, hvilket resulterer i en meget højere viskositet i sidstnævnte tilfælde. Dette fører til den hypotese, at de forskellige tumlebevægelser og strukturer af PC'er og BR'er kan påvirke forskydningsviskositeten - en væskes modstand mod strømning under forskydning, hvilket afspejler dens indre friktion og evne til at deformere - af højt koncentrerede opløsninger eller polymersmeltninger af disse molekyler.

Yderligere eksperimentelle og teoretiske undersøgelser er nødvendige for at teste denne hypotese. Den aktuelle undersøgelse er udført af et videnskabeligt samarbejde mellem universitetet i Wien, Sharif University of Technology i Iran og International School of Advanced Studies (SISSA) i Italien.

Værket er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Flere oplysninger: Reyhaneh A. Farimani et al., Effekter af at forbinde topologi på forskydningsreaktionen af ​​forbundne ringpolymerer:Catenaner og bundede ringe flyder forskelligt, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.148101

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Universitetet i Wien