Fysik af komplekse væsker:Ringpolymerer viser uventede bevægelsesmønstre under forskydning

I området for komplekse væsker er forståelsen af ​​materialers indviklede adfærd under forskellige forhold afgørende for at fremme områder lige fra materialevidenskab til bioteknologi. Blandt disse materialer har ringpolymerer, en klasse af cirkulære makromolekyler, fået opmærksomhed på grund af deres unikke egenskaber og potentielle anvendelser. Imidlertid forbliver deres adfærd under forskydning, en grundlæggende kraft, der kan inducere flow og deformation i materialer, relativt uudforsket.

En nylig undersøgelse udført af et team af forskere har kastet nyt lys over de uventede bevægelsesmønstre af ringpolymerer under forskydning. Ved hjælp af avancerede simuleringsteknikker undersøgte holdet dynamikken af ​​ringpolymerer i et Couette-flow, en type forskydningsflow, hvor to parallelle plader bevæger sig med forskellige hastigheder, hvilket skaber en hastighedsgradient.

Deres resultater afslørede, at ringpolymerer udviser forskellige bevægelsesmønstre afhængigt af deres størrelse og styrken af ​​forskydningskraften. Ved lave forskydningshastigheder opfører små ringpolymerer sig på samme måde som lineære polymerer, idet de flugter med strømningsretningen og tumler med jævne mellemrum. Men efterhånden som forskydningshastigheden stiger, sker der en bemærkelsesværdig overgang:små ringpolymerer begynder at rotere hurtigt omkring deres centrale akse, beslægtet med snurretoppe.

Denne rotationsbevægelse er drevet af samspillet mellem den forskydningsinducerede strømning og de unikke strukturelle egenskaber ved ringpolymerer. I modsætning til lineære polymerer mangler ringpolymerer kædeender og udviser en lukket konformation, der giver mulighed for effektiv energioverførsel. Forskydningskraften får ringpolymererne til at deformeres og rotere, hvilket fører til den observerede spindebevægelse.

Desuden fandt forskerne ud af, at rotationsdynamikken af ​​ringpolymerer er størrelsesafhængig. Mindre ringpolymerer roterer hurtigere end deres større modstykker, hvilket viser en afhængighed af polymerens gyrationsradius. Denne størrelsesafhængige adfærd opstår fra samspillet mellem den forskydningsinducerede strømningsstyrke og polymerens rotationsinerti.

Opdagelsen af ​​disse uventede bevægelsesmønstre af ringpolymerer under forskydning åbner nye veje til at udforske komplekse væskers rige fysik og designe materialer med skræddersyede egenskaber. Spindebevægelsen af ​​ringpolymerer under forskydning kan have implikationer i forskellige applikationer, såsom mikrofluidiske enheder, polymerblandinger og lægemiddelleveringssystemer.

Ved at optrevle ringpolymerernes indviklede dynamik bidrager denne undersøgelse til den bredere forståelse af komplekse væsker og giver indsigt i de potentielle anvendelser af disse materialer inden for forskellige områder af videnskab og teknologi.