Wetenschap
Fysica van complexe vloeistoffen:Ringpolymeren vertonen onverwachte bewegingspatronen onder schuifkracht
Het afschuiven van vloeistoffen – dat wil zeggen het over elkaar glijden van vloeistoflagen onder schuifkrachten – is een belangrijk concept in de natuur en in de reologie, de wetenschap die het stromingsgedrag van materie bestudeert, inclusief vloeistoffen en zachte vaste stoffen. Afschuifkrachten zijn laterale krachten die evenwijdig aan een materiaal worden uitgeoefend, waardoor vervorming of slippen tussen de lagen wordt veroorzaakt.
Experimenten met vloeistofafschuiving maken de karakterisering mogelijk van belangrijke reologische eigenschappen zoals viscositeit (weerstand tegen vervorming of stroming) en thixotropie (afname van de viscositeit onder invloed van afschuiving), die belangrijk zijn in toepassingen variërend van industriële processen tot medicijnen. Er zijn de afgelopen jaren al onderzoeken uitgevoerd naar het afschuifgedrag van visco-elastische vloeistoffen die ontstaan door het introduceren van polymeren in Newtoniaanse vloeistoffen.
Een nieuwe benadering in het huidige onderzoek omvat echter de overweging van de polymeertopologie – de ruimtelijke ordening en structuur van moleculen – door gebruik te maken van ringpolymeren. Ringpolymeren zijn macromoleculen die zijn samengesteld uit zich herhalende eenheden en gesloten lussen vormen zonder vrije uiteinden.
Een kwestie van linken
Eerste auteur Reyhaneh Farimani legt uit:‘Voor onze computersimulatie-experimenten onder afschuiving hebben we twee vergelijkbare typen verbonden ringparen overwogen:één waarbij de koppeling chemisch is, genaamd gebonden ringen (BR’s), en één waarin de koppeling mechanisch is via een Hopf-link, polycatenanen (PC's) genoemd."
Speciale nadruk werd gelegd op het rekening houden met hydrodynamische interacties door middel van geschikte simulatietechnieken, wat cruciaal bleek te zijn omdat een delicate wisselwerking tussen fluctuerende hydrodynamica en topologie de opkomende patronen beheerst.
De resultaten waren verrassend:aan de ene kant was de respons van de twee componenten, BR's en pc's, heel verschillend van elkaar - en aan de andere kant was deze duidelijk verschillend van die van verschillende andere polymeertypen, zoals lineaire polymeren. , ster of vertakt. In het bijzonder is het dominante dynamische patroon in andere polymeren onder afschuiving ("vorticity tumbling") ofwel onderdrukt (BR's) of vrijwel afwezig (PC's) in deze topologisch gemodificeerde polymeren.
Onverwachte vormen van tuimelen
‘Wat we ontdekten’, zegt Christos Likos, co-auteur van het onderzoek, ‘zijn volkomen onverwachte dynamische patronen in beide typen ringpolymeer, die we gradiënt-tumbling en slip-tumbling noemen.’ Als gevolg van een samenspel tussen hydrodynamica en ringtopologie tuimelen de BR-moleculen rond de gradiëntrichting, die loodrecht staat op de vorticiteits- en stromingsassen. BR's blijken onder afschuiving een continue gradiënt-tuimelende beweging te hebben.
Integendeel, pc's worden dun, oriënteren zich dicht bij de stroomas en behouden een vaste, uitgerekte en niet-tuimelende conformatie onder afschuiving. In plaats daarvan vertonen pc's, vanwege hun eigenaardige vorm van mechanische koppeling, een intermitterende dynamiek, waarbij af en toe de twee ringen worden uitgewisseld als ze door elkaar heen glijden, een patroon dat de auteurs van het artikel slip-tumbling noemen.
Deze onverwachte bewegingsmodi, die unieke kenmerken dragen van de topologieën van de polymeerverbindingen, onderstrepen het belang van de wisselwerking tussen hydrodynamica en polymeerarchitectuur. In feite ontdekten de onderzoekers in hun simulaties dat wanneer de backflow-effecten kunstmatig worden geëlimineerd, de verschillen tussen BR's en pc's verdwijnen.
Deze dynamische modi hebben ook een merkbaar effect op de mechanische eigenschappen van de oplossing, aangezien BR's interne spanningen vrijgeven door te tuimelen, terwijl PC's spanningen permanent opslaan, wat in het laatste geval resulteert in een veel hogere viscositeit. Dit leidt tot de hypothese dat de verschillende tuimelende bewegingen en structuren van PC's en BR's de afschuifviscositeit zouden kunnen beïnvloeden - de weerstand van een vloeistof tegen stroming onder afschuiving die de interne wrijving en het vermogen om te vervormen weerspiegelt - van sterk geconcentreerde oplossingen of polymeersmelten van deze moleculen. /P>
Verder experimenteel en theoretisch onderzoek is nodig om deze hypothese te testen. Het huidige onderzoek werd uitgevoerd door een wetenschappelijke samenwerking tussen de Universiteit van Wenen, de Sharif University of Technology in Iran en de International School of Advanced Studies (SISSA) in Italië.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .