Polymererna som utgör syntetiska material behöver tid för att avstressas efter bearbetning, sa forskare. En ny studie har funnit att intrasslad, långkedjiga polymerer i lösningar slappnar av i två olika hastigheter, markerar ett framsteg inom grundläggande polymerfysik. Resultaten kommer att ge en bättre förståelse av de fysikaliska egenskaperna hos polymera material och kritisk ny insikt om hur enskilda polymermolekyler reagerar på bearbetningsförhållanden med hög stress.

Studien, publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , kan hjälpa till att förbättra tillverkningen av syntetiska material och har tillämpningar inom biologi, mekanisk och materialvetenskap samt kondenserad materiens fysik.

"Våra experiment med en enda molekyl visar att polymerer gillar att visa upp sitt individualistiska beteende, som har avslöjat oväntad och slående heterogen dynamik i intrasslade polymerlösningar, " sa medförfattaren Charles Schroeder, professor i kemisk och biomolekylär teknik och fakultetsmedlem vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois i Urbana-Champaign. "Ett huvudmål med vår forskning är att förstå hur enskilda polymerer - som fungerar som individer - arbetar tillsammans för att ge material makroskopiska egenskaper som viskositet och seghet."

Med hjälp av en teknik som kallas enkelmolekyls fluorescensmikroskopi, forskare kan se – i realtid – när enskilda polymermolekyler slappnar av efter sträckningen, dragning och klämning av tillverkningsprocessen. "Föreställ dig att titta in i en skål med kokt spagetti och titta på rörelsen av en enda nudel när skålen blandas, " sa Schröder.

"Vi fann att polymererna uppvisar en av två distinkta avslappningslägen, " sa medförfattare och doktorand Yuecheng (Peter) Zhou. "En grupp polymerer slappnade av via en enda sönderfallande exponentiell hastighet och den andra gruppen visade en tvåfasprocess. Den andra populationen genomgår en mycket snabb initial retraktion följt av en långsam avslappning. Förekomsten av två olika molekylära populationer var oväntad och inte förutspådd av klassisk teori."

Denna studie arbetade med högmolekylärt DNA eftersom det fungerar som en idealisk modell av andra typer av syntetiska organiska polymerer, sa forskarna.

"Vi valde DNA som vår modellpolymer eftersom det är en mycket stor molekyl och kedjorna är tillräckligt stora för att avbildas i vårt mikroskop, " sa Schroeder. "De är också alla lika vikta, vilket gav oss en mycket ren, väldefinierat system för dataanalys."

Forskarna fann att andelen av den molekylära subpopulationen som uppvisar tvåfasavslappningsbeteendet ökar när den totala polymerkoncentrationen ökar i de intrasslade lösningarna.

"Vi är inte säkra på varför enkellägesavslappnings- eller snabbindragningsläget verkar vara koncentrationsberoende, men det kan ha att göra med förbättrad interpolymerfriktion - ju fler polymerer, ju större chans att de kommer att interagera, speciellt ur jämvikt, ", sade Zhou. "Vi arbetar med teoretiker här vid University of Illinois för att bättre förklara fenomenen för enkelläge och tvålägesavslappning."

Teamet är glada över att ge ny insikt till förståelsen av hur komplexa vätskor flyter och hur de bearbetas och tillverkas, speciellt med polymerer som utsätts för intensiv stress, såsom vätskorna som används för 3D-utskrift.