Skjuvning av vätskor – vilket betyder att vätskeskikt glider över varandra under skjuvkrafter – är ett viktigt begrepp i naturen och inom reologi, vetenskapen som studerar materias flödesbeteende, inklusive vätskor och mjuka fasta ämnen. Skjuvkrafter är sidokrafter som appliceras parallellt med ett material, vilket inducerar deformation eller glidning mellan dess skikt.
Fluid shear experiment tillåter karakterisering av viktiga reologiska egenskaper såsom viskositet (motstånd mot deformation eller flöde) och tixotropi (minskning i viskositet under påverkan av skjuvning), som är viktiga i tillämpningar som sträcker sig från industriella processer till medicin. Studier av skjuvningsbeteendet hos viskoelastiska vätskor skapade genom att introducera polymerer i newtonska vätskor har redan utförts under de senaste åren.
Ett nytt tillvägagångssätt i den aktuella forskningen involverar emellertid övervägande av polymertopologi - det rumsliga arrangemanget och strukturen hos molekyler - genom att använda ringpolymerer. Ringpolymerer är makromolekyler som är sammansatta av upprepade enheter som bildar slutna slingor utan fria ändar.
Första författaren Reyhaneh Farimani förklarar, "För våra datorsimuleringsexperiment under skjuvning övervägde vi två liknande typer av anslutna ringpar:en där kopplingen är kemisk, kallad bonded rings (BRs), och en där kopplingen är mekanisk via en Hopf-länk, som kallas polycatenaner (PC)."
Särskild vikt lades på att ta hänsyn till hydrodynamiska interaktioner genom lämpliga simuleringstekniker, vilket visade sig vara avgörande eftersom ett känsligt samspel mellan fluktuerande hydrodynamik och topologi styr de framväxande mönstren.
Resultaten var överraskande:Å ena sidan var responsen från de två komponenterna, BR och PC, väldigt olika varandra - och å andra sidan var den tydligt annorlunda än den för olika andra polymertyper, såsom linjära , stjärna eller grenad. I synnerhet är det dominerande dynamiska mönstret i andra polymerer under skjuvning ("virveltumling") antingen undertryckt (BRs) eller praktiskt taget frånvarande (PCs) i dessa topologiskt modifierade polymerer.
"Det vi upptäckte", säger Christos Likos, medförfattare till studien, "är helt oväntade dynamiska mönster i båda ringpolymertyperna, som vi kallar gradienttumbling och glidtumbling." På grund av ett samspel mellan hydrodynamik och ringtopologi, tumlar BR-molekylerna runt gradientriktningen, som är vinkelrät mot virvel- och flödesaxlarna. BRs visar sig vara i en kontinuerlig tumlande rörelse under skjuvning.
Tvärtom blir datorer tunna, orienterar sig nära flödesaxeln och bibehåller en fixerad, sträckt och icke-tumlande konformation under skjuvning. Istället, på grund av sin speciella form av mekanisk koppling, uppvisar datorer intermittent dynamik, med tillfälligt utbyte av de två ringarna när de glider genom varandra, ett mönster som författarna till tidningen kallar slip-tumbling.
Dessa oväntade rörelsesätt, som bär unika signaturer av polymerföreningarnas topologier, understryker vikten av samspelet mellan hydrodynamik och polymerarkitektur. Faktum är att forskarna fann i sina simuleringar att när återflödeseffekterna artificiellt elimineras, försvinner skillnaderna mellan BR och PC.
Dessa dynamiska lägen har också en märkbar effekt på de mekaniska egenskaperna hos lösningen eftersom BR:er släpper in inre spänningar genom att tumla, medan PC:er lagrar spänningar permanent, vilket resulterar i en mycket högre viskositet i det senare fallet. Detta leder till hypotesen att de olika tumlande rörelserna och strukturerna hos PC:er och BR:er kan påverka skjuvningsviskositeten - en vätskas motstånd mot strömning under skjuvning som återspeglar dess inre friktion och förmåga att deformeras - av högkoncentrerade lösningar eller polymersmältor av dessa molekyler.
Ytterligare experimentella och teoretiska studier behövs för att testa denna hypotes. Den aktuella studien genomfördes av ett vetenskapligt samarbete mellan universitetet i Wien, Sharif University of Technology i Iran och International School of Advanced Studies (SISSA) i Italien.
Verket publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Mer information: Reyhaneh A. Farimani et al, Effekter av länkningstopologi på skjuvresponsen hos anslutna ringpolymerer:Catenaner och bundna ringar flyter olika, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.148101
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av universitetet i Wien
