I polimeri che compongono i materiali sintetici hanno bisogno di tempo per destressarsi dopo la lavorazione, ricercatori hanno detto. Un nuovo studio ha scoperto che entangled, i polimeri a catena lunga nelle soluzioni si rilassano a due velocità diverse, segnando un progresso nella fisica dei polimeri fondamentali. I risultati forniranno una migliore comprensione delle proprietà fisiche dei materiali polimerici e nuove informazioni fondamentali su come le singole molecole polimeriche rispondono a condizioni di lavorazione ad alto stress.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , potrebbe contribuire a migliorare la produzione di materiali sintetici e ha applicazioni in biologia, scienze meccaniche e dei materiali, nonché fisica della materia condensata.

"I nostri esperimenti su una singola molecola mostrano che ai polimeri piace mostrare il loro comportamento individualistico, che ha rivelato dinamiche eterogenee inaspettate e sorprendenti nelle soluzioni polimeriche entangled, " ha detto il co-autore Charles Schroeder, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare e membro di facoltà del Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "Un obiettivo principale della nostra ricerca è capire come i singoli polimeri, agendo come individui, lavorano insieme per conferire ai materiali proprietà macroscopiche come viscosità e tenacità".

Utilizzando una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza a molecola singola, i ricercatori possono osservare, in tempo reale, come le singole molecole polimeriche si rilassano dopo lo stiramento, tirando e schiacciando il processo di fabbricazione. "Immagina di guardare in una ciotola di spaghetti cotti e di osservare il movimento di un singolo noodle mentre la ciotola viene mescolata, " ha detto Schroeder.

"Abbiamo scoperto che i polimeri mostrano una delle due distinte modalità di rilassamento, " ha detto il co-autore e studente laureato Yuecheng (Peter) Zhou. "Un gruppo di polimeri si è rilassato tramite un singolo tasso esponenziale di decadimento e l'altro gruppo ha mostrato un processo in due fasi. Quella seconda popolazione subisce una retrazione iniziale molto rapida seguita da un lento rilassamento. L'esistenza di due diverse popolazioni molecolari era inaspettata e non prevista dalla teoria classica".

Questo studio ha funzionato con DNA ad alto peso molecolare perché funge da modello ideale di altri tipi di polimeri organici sintetici, hanno detto i ricercatori.

"Abbiamo scelto il DNA come nostro polimero modello perché è una molecola molto grande e le catene sono abbastanza grandi da poter essere visualizzate nel nostro microscopio, " ha detto Schroeder. "Sono anche tutti dello stesso peso, che ci ha fornito un ambiente molto pulito, sistema ben definito per l'analisi dei dati."

I ricercatori hanno scoperto che la percentuale della sottopopolazione molecolare che mostra il comportamento di rilassamento a due fasi aumenta all'aumentare della concentrazione complessiva del polimero nelle soluzioni entangled.

"Non siamo sicuri del motivo per cui la modalità di rilassamento a modalità singola o la modalità di ritrazione rapida sembrano essere dipendenti dalla concentrazione, ma potrebbe avere a che fare con un maggiore attrito interpolimero:più polimeri, maggiore è la possibilità che interagiscano, soprattutto fuori equilibrio, Zhou ha detto. "Stiamo lavorando con i teorici qui all'Università dell'Illinois per spiegare meglio i fenomeni di rilassamento a modalità singola ea due modalità".

Il team è entusiasta di apportare nuove informazioni alla comprensione di come scorrono fluidi complessi e di come vengono elaborati e fabbricati, soprattutto con polimeri sottoposti a sollecitazioni intense, come i fluidi utilizzati per la stampa 3D.