Voordat we de volgende generatie zachte materialen ontwerpen, onderzoekers moeten eerst begrijpen hoe ze zich gedragen tijdens snel veranderende vervorming. In een nieuwe studie, onderzoekers daagden eerdere aannames met betrekking tot polymeergedrag uit met nieuw ontwikkelde laboratoriumtechnieken die de polymeerstroom op moleculair niveau meten.

Deze benadering kan leiden tot het ontwerp van nieuwe biomedische, industriële en milieutoepassingen - van polymeren die helpen bij de bloedstolling tot materialen die efficiënter olie en gas uit bronnen halen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Het begrijpen van de mechanica van hoe materialen moleculair reageren op veranderende stromen is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van hoogwaardige materialen, zeiden de onderzoekers, en het definiëren van een raamwerk voor het interpreteren en beschrijven van deze eigenschappen is wetenschappers decennialang ontgaan.

"Wanneer polymere materialen - synthetisch of biologisch - worden vervormd, ze reageren op zowel macroscopische als moleculaire schaal, " zei Simon Rogers, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Illinois en hoofdauteur van de nieuwe studie. "De relatie tussen de twee schalen van respons is complex en is, tot nu, moeilijk te omschrijven."

Eerdere studies hebben geprobeerd de relatie tussen het microscopische en macroscopische gedrag van polymeervervorming wiskundig te karakteriseren, zeiden de onderzoekers, maar hebben de fysica niet kunnen relateren aan goed gedefinieerde microstructurele waarnemingen.

"In onze studie we wilden zowel de structurele als mechanische eigenschappen van polymeren tijdens vervorming meten, direct licht werpen op de oorsprong van unieke mechanische eigenschappen, " zei Johnny Ching-Wei Lee, een afgestudeerde student en co-auteur van de studie. "We dachten dat het misschien het beste was om te proberen directe observaties te gebruiken om de complexe fysica te verklaren."

In het labortorium, de onderzoekers hebben tegelijkertijd multischaalvervormingen gemeten door traditionele instrumenten voor het meten van stress en vervorming op macroscopisch niveau te combineren met een techniek die neutronenverstrooiing wordt genoemd om de structuur op moleculaire schaal te observeren.

Het team heeft iets onverwachts gevonden.

"Met gelijktijdige neutronenverstrooiing en stroommetingen, we zijn in staat om structuur en mechanische eigenschappen direct te correleren met een tijdresolutie in de orde van milliseconden, " zei co-auteur van de studie Katie Weigandt, een onderzoeker van het National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Science. "Deze benadering heeft geleid tot fundamenteel begrip in een breed scala van nanogestructureerde complexe vloeistoffen, en in dit werk valideert nieuwe benaderingen voor het maken van polymeerstroommetingen. "

"Eerder onderzoek had aangenomen dat de hoeveelheid toegepaste vervorming op macroschaal is wat zachte materialen op microschaal ervaren, " zei Lee. "Maar de neutronenverstrooiingsgegevens van onze studie laten duidelijk zien dat het de vervorming is die kan worden hersteld die ertoe doet, omdat het de hele reactie dicteert, in termen van macroscopische stroming - iets dat voorheen onbekend was."

De onderzoekers zeiden dat deze ontwikkeling zal helpen bij het corrigeren van verschillende slecht begrepen fenomenen in het onderzoek naar polymeren, zoals waarom polymeren uitzetten tijdens driedimensionale printprocessen.

"We hebben bedacht wat we een structuur-eigenschap-verwerkingsrelatie noemen, " zei Rogers. "Deze subtiele, maar een fundamenteel andere manier van denken over het polymeergedrag vat samen wat we zien als een eenvoudige en mooie relatie waarvan we verwachten dat deze behoorlijk impactvol zal zijn."

Het onderzoek brengt belangrijke inzichten in de al lang bestaande uitdaging in zachte gecondenseerde materie, en het team zei dat de gevestigde structuur-eigenschap-verwerkingsrelaties een nieuw ontwerpcriterium voor zachte materialen zouden kunnen bieden.