I polimeri sono grandi molecole ottenute collegando una serie di elementi costitutivi identici. Sono interessanti per la produzione perché sono economici e facili da elaborare e modificare.

Per espandere le applicazioni dei polimeri e migliorarne la sostenibilità, gli scienziati hanno bisogno di una maggiore comprensione delle loro dinamiche strutturali. Questi materiali morbidi subiscono condizioni mutevoli durante la produzione. Ciò può influire sulle loro proprietà e prestazioni finali. Man mano che i polimeri subiscono cambiamenti di fase (ad esempio, da solido a liquido), il modo in cui reagiscono alle forze diventa sempre più complesso e difficile da misurare.

In questo lavoro, i ricercatori hanno combinato teoria e modellizzazione computazionale per caratterizzare i polimeri fusi in condizioni di flusso costante. Hanno scoperto caratteristiche universali che possono aiutare nella progettazione di materiali polimerici avanzati. La ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review Letters .

I polimeri stanno facendo avanzare la produzione, in particolare la produzione additiva o la stampa 3D. Le aziende possono utilizzare questi materiali morbidi a basso costo e facilmente lavorabili per realizzare numerose parti, strumenti e prodotti diversi. I progressi dei polimeri potrebbero consentire all’industria di fabbricare in modo efficiente prodotti di qualità superiore con proprietà personalizzate e forme e strutture complesse. Ciò amplierebbe l'uso dei polimeri in applicazioni ad alte prestazioni come quelle automobilistiche e aerospaziali.

I ricercatori hanno una buona conoscenza della dinamica dei polimeri in uno stato di equilibrio. Tuttavia, mancano informazioni su come i polimeri rispondono allo stress e ai cambiamenti di temperatura durante la lavorazione. L'approccio di modellazione in questo studio consente ai ricercatori di estrarre queste informazioni. Ciò potrebbe portare a previsioni più accurate delle prestazioni e a una migliore progettazione dei materiali polimerici.

I materiali polimerici, comprese plastica e gomma, sono costituiti da lunghe catene di molecole che possono essere spostate applicando energia, ad esempio modificando la temperatura o applicando una forza esterna. Nel materiale polimerico sfuso, molte di queste catene polimeriche sono impigliate e interagiscono tramite movimento randomizzato, o movimento browniano, che può essere direttamente collegato a proprietà osservabili. Gli pneumatici per auto, ad esempio, diventano più flessibili alle temperature più elevate e più rigidi quando fa freddo.

Quando i polimeri vengono fusi, fluiscono, il che significa che le catene molecolari interagiscono tra loro e con altre catene molecolari e sono anche libere di muoversi in modo diverso in direzioni diverse. La teoria della probabilità può caratterizzare la fisica dei polimeri in uno stato di equilibrio, ma non è stata sufficiente per descrivere i polimeri sotto flusso che introducono ulteriore complessità matematica.

In questo studio, i ricercatori hanno introdotto due metodi chiave per "improntare" la dinamica del flusso di polimeri complessi. Hanno ampliato il movimento browniano con quadri di riferimento complementari per affrontare i movimenti delle singole catene polimeriche rispetto al flusso e hanno utilizzato una tecnica di espansione armonica sferica per risolvere il movimento anisotropo.

Ulteriori informazioni: Zhiqiang Shen et al, Fingerprinting Brownian Motions of Polymers under Flow, Lettere di revisione fisica (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.057801

Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica

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