Polymerer är stora molekyler som skapas genom att länka samman en serie identiska byggstenar. De är attraktiva för tillverkning eftersom de är billiga och lätta att bearbeta och modifiera.

För att utöka polymerernas tillämpningar och förbättra deras hållbarhet behöver forskare en större förståelse för deras strukturella dynamik. Dessa mjuka material upplever förändrade förhållanden under tillverkningen. Detta kan påverka deras slutliga egenskaper och prestanda. När polymerer genomgår fasförändringar (till exempel från fast till flytande) blir sättet de reagerar på krafter allt mer komplext och svårare att mäta.

I detta arbete kombinerade forskare teori och beräkningsmodellering för att karakterisera smälta polymerer under förhållanden med konstant flöde. De hittade universella funktioner som kan hjälpa till vid utformningen av avancerade polymermaterial. Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .

Polymerer utvecklar tillverkningen, särskilt additiv tillverkning eller 3D-utskrift. Företag kan använda dessa billiga, lättbearbetade mjuka material för att tillverka många olika delar, verktyg och produkter. Avancerade polymerer skulle kunna göra det möjligt för industrin att effektivt tillverka produkter av högre kvalitet med skräddarsydda egenskaper och invecklade former och strukturer. Detta skulle utöka användningen av polymerer i högpresterande applikationer som bilar och flyg.

Forskare har en god förståelse för polymerdynamik i ett jämviktstillstånd. Däremot saknar de information om hur polymerer reagerar på stress och temperaturförändringar under bearbetning. Modelleringsmetoden i denna studie gör det möjligt för forskare att extrahera denna information. Detta kan leda till mer exakta förutsägelser av prestanda och bättre design av polymermaterial.

Polymermaterial, inklusive plast och gummi, är uppbyggda av långa kedjor av molekyler som kan flyttas runt genom att applicera energi, som att ändra temperaturen eller applicera en yttre kraft. I bulkpolymermaterialet är många av dessa polymerkedjor intrasslade och interagerar via randomiserad rörelse, eller Brownsk rörelse, som direkt kan kopplas till observerbara egenskaper. Bildäck blir till exempel mer flexibla vid högre temperaturer och styvare i kallt väder.

När polymerer smälts flyter de, vilket innebär att molekylkedjor interagerar med sig själva och andra molekylkedjor och är också fria att röra sig olika i olika riktningar. Sannolikhetsteori kan karakterisera polymerfysik i ett jämviktstillstånd men har inte varit tillräcklig för att beskriva polymerer under flöde som introducerar ytterligare matematisk komplexitet.

I denna studie introducerade forskare två nyckelmetoder för att "fingeravtrycka" komplex polymerflödesdynamik. De expanderade på Brownsk rörelse med kompletterande referensramar för att adressera enkla polymerkedjerörelser i förhållande till flöde och använde en sfärisk harmonisk expansionsteknik för att lösa anisotropisk rörelse.

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

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av US Department of Energy