Polymeren zijn grote moleculen die worden gemaakt door een reeks identieke bouwstenen aan elkaar te koppelen. Ze zijn aantrekkelijk voor productie omdat ze goedkoop zijn en gemakkelijk te verwerken en aan te passen.

Om de toepassingen van polymeren uit te breiden en hun duurzaamheid te verbeteren, hebben wetenschappers een beter inzicht nodig in hun structurele dynamiek. Deze zachte materialen ondergaan tijdens de productie veranderende omstandigheden. Dit kan hun uiteindelijke eigenschappen en prestaties beïnvloeden. Naarmate polymeren faseveranderingen ondergaan (bijvoorbeeld van vast naar vloeibaar), wordt de manier waarop ze op krachten reageren steeds complexer en moeilijker te meten.

In dit werk combineerden onderzoekers theorie en computationele modellering om gesmolten polymeren onder stabiele stromingsomstandigheden te karakteriseren. Ze vonden universele kenmerken die kunnen helpen bij het ontwerpen van geavanceerde polymeermaterialen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Polymeren bevorderen de productie, vooral additive manufacturing of 3D-printen. Bedrijven kunnen deze goedkope, gemakkelijk te verwerken zachte materialen gebruiken om veel verschillende onderdelen, gereedschappen en producten te maken. De vooruitgang op het gebied van polymeren zou de industrie in staat kunnen stellen op efficiënte wijze producten van hogere kwaliteit te vervaardigen met op maat gemaakte eigenschappen en ingewikkelde vormen en structuren. Dit zou het gebruik van polymeren in hoogwaardige toepassingen zoals auto's en ruimtevaart vergroten.

Onderzoekers hebben een goed begrip van de polymeerdynamica in een evenwichtstoestand. Ze missen echter informatie over hoe polymeren reageren op stress- en temperatuurveranderingen tijdens de verwerking. De modelleringsaanpak in dit onderzoek stelt onderzoekers in staat deze informatie te extraheren. Dit zou kunnen leiden tot nauwkeurigere prestatievoorspellingen en een beter ontwerp van polymeermaterialen.

Polymere materialen, waaronder plastic en rubber, bestaan ​​uit lange ketens van moleculen die kunnen worden verplaatst door het toepassen van energie, zoals het veranderen van de temperatuur of het uitoefenen van een externe kracht. In het bulkpolymeermateriaal zijn veel van deze polymeerketens verstrengeld en interageren via willekeurige bewegingen, of Brownse bewegingen, die direct kunnen worden gekoppeld aan waarneembare eigenschappen. Autobanden worden bijvoorbeeld flexibeler bij hogere temperaturen en stijver bij koud weer.

Wanneer polymeren worden gesmolten, gaan ze stromen, wat betekent dat moleculaire ketens een interactie aangaan met zichzelf en andere molecuulketens en ook vrij zijn om op verschillende manieren in verschillende richtingen te bewegen. De waarschijnlijkheidstheorie kan de polymeerfysica in een evenwichtstoestand karakteriseren, maar is niet voldoende geweest om polymeren onder stroming te beschrijven die extra wiskundige complexiteit introduceren.

In deze studie introduceerden onderzoekers twee belangrijke methoden om de complexe polymeerstroomdynamiek te "vingerafdruk". Ze breidden de Brownse beweging uit met complementaire referentieframes om de bewegingen van een enkele polymeerketen ten opzichte van de stroming aan te pakken en gebruikten een sferische harmonische expansietechniek om anisotrope bewegingen op te lossen.

Meer informatie: Zhiqiang Shen et al., Vingerafdrukken van Brownse bewegingen van polymeren onder stroom, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.057801

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie