Modellering af polymerer til næste generations produktion og bæredygtighed

Polymerer er store molekyler, der er lavet ved at forbinde en række identiske byggesten. De er attraktive til fremstilling, fordi de er billige og nemme at behandle og ændre.

For at udvide polymerers anvendelser og forbedre deres bæredygtighed har forskerne brug for en større forståelse af deres strukturelle dynamik. Disse bløde materialer oplever skiftende forhold under fremstillingen. Dette kan påvirke deres endelige egenskaber og ydeevne. Efterhånden som polymerer undergår faseændringer (f.eks. fra fast til flydende), bliver måden, de reagerer på kræfter på, stadig mere kompleks og svær at måle.

I dette arbejde kombinerede forskere teori og beregningsmodellering for at karakterisere smeltede polymerer under stabile strømningsforhold. De fandt universelle funktioner, der kan hjælpe med design af avancerede polymermaterialer. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Polymerer fremmer fremstillingen, især additiv fremstilling eller 3D-print. Virksomheder kan bruge disse billige, letforarbejdede bløde materialer til at fremstille mange forskellige dele, værktøjer og produkter. Fremskridende polymerer kan gøre det muligt for industrien effektivt at fremstille produkter af højere kvalitet med skræddersyede egenskaber og indviklede former og strukturer. Dette ville udvide anvendelsen af ​​polymerer i højtydende applikationer såsom biler og rumfart.

Forskere har en god forståelse af polymerdynamik i en ligevægtstilstand. Men de mangler information om, hvordan polymerer reagerer på stress og temperaturændringer under forarbejdning. Modelleringstilgangen i denne undersøgelse giver forskere mulighed for at udtrække denne information. Dette kan føre til mere præcise forudsigelser af ydeevne og bedre design af polymermaterialer.

Polymermaterialer, herunder plastik og gummi, består af lange kæder af molekyler, der kan flyttes rundt ved at påføre energi, såsom at ændre temperaturen eller påføre en ekstern kraft. I bulkpolymermaterialet er mange af disse polymerkæder viklet ind og interagerer via randomiseret bevægelse eller Brownsk bevægelse, der kan være direkte forbundet med observerbare egenskaber. Bildæk bliver for eksempel mere fleksible ved højere temperaturer og mere stive i koldt vejr.

Når polymerer smeltes, flyder de, hvilket betyder, at molekylære kæder interagerer med sig selv og andre molekylekæder og er også frie til at bevæge sig forskelligt i forskellige retninger. Sandsynlighedsteori kan karakterisere polymerfysik i en ligevægtstilstand, men har ikke været tilstrækkelig til at beskrive polymerer under flow, der introducerer yderligere matematisk kompleksitet.

I denne undersøgelse introducerede forskere to nøglemetoder til at "fingeraftryk" kompleks polymerstrømningsdynamik. De udvidede Brownsk bevægelse med komplementære referencerammer for at adressere enkelt polymerkædebevægelser i forhold til flow og brugte en sfærisk harmonisk ekspansionsteknik til at løse anisotropiske bevægelser.

Flere oplysninger: Zhiqiang Shen et al., Fingerprinting Brownian Motions of Polymers under Flow, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.057801

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium