De polymeren waaruit synthetische materialen zijn opgebouwd, hebben na verwerking tijd nodig om te ontstressen, aldus onderzoekers. Een nieuwe studie heeft aangetoond dat verstrengelde, polymeren met lange ketens in oplossingen ontspannen met twee verschillende snelheden, markeert een vooruitgang in de fundamentele polymeerfysica. De bevindingen zullen een beter begrip geven van de fysieke eigenschappen van polymere materialen en een belangrijk nieuw inzicht geven in hoe individuele polymeermoleculen reageren op verwerkingsomstandigheden onder hoge stress.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , kan de productie van synthetische materialen helpen verbeteren en heeft toepassingen in de biologie, mechanische en materiaalwetenschappen, evenals fysica van de gecondenseerde materie.

"Onze experimenten met één molecuul laten zien dat polymeren graag pronken met hun individualistische gedrag, die onverwachte en opvallende heterogene dynamiek heeft onthuld in verstrengelde polymeeroplossingen, " zei co-auteur Charles Schroeder, een professor in chemische en biomoleculaire engineering en faculteitslid van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Een hoofddoel van ons onderzoek is om te begrijpen hoe afzonderlijke polymeren - die als individuen optreden - samenwerken om materialen macroscopische eigenschappen zoals viscositeit en taaiheid te geven."

Met behulp van een techniek genaamd single-molecule fluorescentiemicroscopie, onderzoekers kunnen - in realtime - kijken hoe individuele polymeermoleculen ontspannen na het uitrekken, trekken en knijpen van het productieproces. "Stel je voor dat je in een kom gekookte spaghetti kijkt en naar de beweging van een enkele noedel kijkt terwijl de kom wordt gemengd, ' zei Schröder.

"We ontdekten dat de polymeren een van de twee verschillende relaxatiemodi vertonen, " zei co-auteur en afgestudeerde student Yuecheng (Peter) Zhou. "Een groep polymeren ontspande zich via een enkele exponentiële snelheid en de andere groep vertoonde een proces in twee fasen. Die tweede populatie ondergaat een zeer snelle initiële terugtrekking gevolgd door een langzame ontspanning. Het bestaan ​​van twee verschillende moleculaire populaties was onverwacht en niet voorspeld door de klassieke theorie."

Deze studie werkte met DNA met een hoog molecuulgewicht omdat het dient als een ideaal model voor andere soorten synthetische organische polymeren, aldus de onderzoekers.

"We hebben DNA gekozen als ons modelpolymeer omdat het een zeer groot molecuul is en de ketens groot genoeg zijn om in onze microscoop te kunnen weergeven. " zei Schroeder. "Ze zijn ook allemaal even zwaar, die ons een zeer schone, goed gedefinieerd systeem voor data-analyse."

De onderzoekers ontdekten dat het percentage van de moleculaire subpopulatie dat het tweefasen-relaxatiegedrag vertoont, toeneemt naarmate de algehele polymeerconcentratie in de verstrengelde oplossingen toeneemt.

"We weten niet zeker waarom de single-mode relaxatie- of snelle-retractie-modus concentratieafhankelijk lijkt te zijn, maar het kan te maken hebben met verhoogde interpolymeerwrijving - hoe meer polymeren, hoe groter de kans dat ze met elkaar omgaan, vooral uit balans, "Zei Zhou. "We werken samen met theoretici hier aan de Universiteit van Illinois om de relaxatieverschijnselen in één modus en in twee modi beter te verklaren."

Het team is verheugd om nieuw inzicht te geven in het begrip van hoe complexe vloeistoffen stromen en hoe ze worden verwerkt en vervaardigd, vooral bij polymeren die onderhevig zijn aan intense stress, zoals de vloeistoffen die worden gebruikt voor 3D-printen.