Prima di progettare la prossima generazione di materiali morbidi, i ricercatori devono prima capire come si comportano durante la deformazione che cambia rapidamente. In un nuovo studio, i ricercatori hanno sfidato le ipotesi precedenti sul comportamento dei polimeri con tecniche di laboratorio di nuova concezione che misurano il flusso del polimero a livello molecolare.

Questo approccio può portare alla progettazione di nuovi sistemi biomedici, applicazioni industriali e ambientali, dai polimeri che aiutano nella coagulazione del sangue ai materiali che estraggono in modo più efficiente petrolio e gas dai pozzi.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Comprendere i meccanismi di come i materiali reagiscono a livello molecolare ai flussi mutevoli è fondamentale per lo sviluppo di materiali di alta qualità, i ricercatori hanno detto, e definire un quadro per interpretare e descrivere queste proprietà è sfuggito agli scienziati per decenni.

"Quando i materiali polimerici, sintetici o biologici, si deformano, reagiscono sia su scala macroscopica che molecolare, " ha detto Simon Rogers, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare dell'Università dell'Illinois e autore principale del nuovo studio. "La relazione tra le due scale di risposta è complessa ed è stata, fino ad ora, difficile da descrivere."

Precedenti studi hanno tentato di caratterizzare matematicamente la relazione tra i comportamenti microscopici e macroscopici della deformazione del polimero, i ricercatori hanno detto, ma non sono stati in grado di mettere in relazione la fisica con osservazioni microstrutturali ben definite.

"Nel nostro studio, volevamo misurare sia le proprietà strutturali che meccaniche dei polimeri durante la deformazione, far luce direttamente sull'origine di proprietà meccaniche uniche, " disse Johnny Ching-Wei Lee, uno studente laureato e co-autore di studio. "Abbiamo pensato che forse fosse meglio provare a utilizzare osservazioni dirette per spiegare la fisica complessa".

Nel laboratorio, i ricercatori hanno misurato simultaneamente deformazioni multiscala combinando strumenti tradizionali per misurare lo stress e la deformazione a livello macroscopico con una tecnica chiamata diffusione di neutroni per osservare la struttura su scala molecolare.

La squadra ha trovato qualcosa di inaspettato.

"Con la diffusione simultanea dei neutroni e le misurazioni del flusso, siamo in grado di correlare direttamente struttura e proprietà meccaniche con una risoluzione temporale dell'ordine dei millisecondi, ", ha affermato la coautrice dello studio Katie Weigandt, un ricercatore del National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Science. "Questo approccio ha portato a una comprensione fondamentale in un'ampia gamma di fluidi complessi nanostrutturati, e in questo lavoro, convalida nuovi approcci per effettuare misurazioni del flusso di polimeri. "

"La ricerca precedente aveva ipotizzato che la quantità di deformazione applicata alla macroscala è ciò che i materiali morbidi sperimentano alla microscala, "Ha detto Lee. "Ma i dati sulla diffusione dei neutroni del nostro studio mostrano chiaramente che è la deformazione che può essere recuperata che conta perché detta l'intera risposta, in termini di flusso macroscopico, qualcosa che era precedentemente sconosciuto."

I ricercatori hanno affermato che questo sviluppo aiuterà a correggere diversi fenomeni poco compresi nella ricerca sui polimeri, ad esempio perché i polimeri si espandono durante i processi di stampa tridimensionale.

"Abbiamo elaborato quella che chiamiamo una relazione struttura-proprietà-elaborazione, " ha detto Rogers. "Questo sottile, ma un modo fondamentalmente diverso di pensare al comportamento del polimero riassume ciò che vediamo come una relazione semplice e bella che ci aspettiamo abbia un grande impatto".

La ricerca fornisce intuizioni chiave per la sfida di lunga data nella materia condensata soffice, e il team ha affermato che le relazioni stabilite struttura-proprietà-elaborazione potrebbero fornire un nuovo criterio di progettazione per i materiali morbidi.