Innan vi designar nästa generation mjuka material, forskare måste först förstå hur de beter sig under snabbt föränderliga deformationer. I en ny studie, forskare utmanade tidigare antaganden om polymerbeteende med nyutvecklade laboratorietekniker som mäter polymerflöde på molekylär nivå.

Detta tillvägagångssätt kan leda till design av nya biomedicinska, industri- och miljöapplikationer - från polymerer som hjälper till med blodproppar till material som mer effektivt extraherar olja och gas från brunnar.

Resultaten publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Att förstå mekaniken för hur material molekylärt reagerar på förändrade flöden är avgörande för att utveckla högkvalitativa material, sa forskarna, och att definiera en ram för tolkning och beskrivning av dessa egenskaper har undvikit forskare i årtionden.

"När polymera material - syntetiska eller biologiska - deformeras, de reagerar i både makroskopiska och molekylära skalor, "sa Simon Rogers, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Illinois och huvudförfattare till den nya studien. "Förhållandet mellan de två skalorna av svar är komplext och har varit, tills nu, svårt att beskriva. "

Tidigare studier har försökt att karakterisera sambandet mellan mikroskopiska och makroskopiska beteenden vid polymerdeformation matematiskt, sa forskarna, men har inte kunnat relatera fysiken till några väldefinierade mikrostrukturella observationer.

"I vår studie, vi ville mäta både de strukturella och mekaniska egenskaperna hos polymerer under deformation, direkt belyser ursprunget till unika mekaniska egenskaper, "sa Johnny Ching-Wei Lee, en doktorand och studieförfattare. "Vi trodde att det kanske var bäst att försöka använda direkta observationer för att förklara den komplexa fysiken."

I labbet, forskarna mätte samtidigt multiskala deformationer genom att kombinera traditionella verktyg för att mäta stress och deformation på makroskopisk nivå med en teknik som kallas neutronspridning för att observera strukturen i molekylskala.

Teamet hittade något oväntat.

"Med samtidig neutronspridning och flödesmätningar, vi kan direkt korrelera struktur och mekaniska egenskaper med en tidsupplösning i storleksordningen millisekunder, "säger studieförfattaren Katie Weigandt, en forskare från National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Science. "Detta tillvägagångssätt har lett till grundläggande förståelse för ett brett spektrum av nanostrukturerade komplexa vätskor, och i detta arbete, validerar nya tillvägagångssätt för att göra polymerflödesmätningar. "

"Tidigare forskning hade antagit att mängden applicerad deformation i makroskala är vad mjuka material upplever i mikroskala, "Sade Lee." Men neutronspridningsdata från vår studie visar tydligt att det är deformationen som kan återställas som spelar roll eftersom det dikterar hela svaret, när det gäller makroskopiskt flöde - något som tidigare var okänt. "

Forskarna sa att denna utveckling kommer att hjälpa till att rätta till flera dåligt förstådda fenomen inom polymerforskning, till exempel varför polymerer expanderar under tredimensionella tryckprocesser.

"Vi har kommit på vad vi kallar ett förhållande mellan struktur och egendom, "Sa Rogers." Denna subtila, men i grunden olika sätt att tänka på polymerbeteendet sammanfattar det vi ser som ett enkelt och vackert förhållande som vi förväntar oss att vara ganska effektfulla. "

Forskningen ger viktiga insikter om den mångåriga utmaningen i mjuk kondenserad materia, och teamet sa att de etablerade förhållandena mellan struktur och egendom skulle kunna ge ett nytt designkriterium för mjuka material.