Gli esperimenti di taglio dei fluidi consentono la caratterizzazione di importanti proprietà reologiche come la viscosità (resistenza alla deformazione o al flusso) e la tissotropia (diminuzione della viscosità sotto l'influenza del taglio), che sono importanti in applicazioni che vanno dai processi industriali alla medicina. Negli ultimi anni sono già stati condotti studi sul comportamento al taglio dei fluidi viscoelastici creati introducendo polimeri nei fluidi newtoniani.

Tuttavia, un nuovo approccio nella ricerca attuale prevede la considerazione della topologia dei polimeri – la disposizione spaziale e la struttura delle molecole – utilizzando polimeri ad anello. I polimeri ad anello sono macromolecole composte da unità ripetitive, che formano anelli chiusi senza estremità libere.

Una questione di collegamento

Il primo autore Reyhaneh Farimani spiega:"Per i nostri esperimenti di simulazione al computer sotto taglio, abbiamo considerato due tipi simili di coppie di anelli collegati:uno in cui il collegamento è chimico, chiamato anelli legati (BR), e uno in cui il collegamento è meccanico tramite un Collegamento Hopf, chiamato policatenani (PC)."

Particolare enfasi è stata posta sulla presa in considerazione delle interazioni idrodinamiche attraverso appropriate tecniche di simulazione, che si sono rivelate cruciali poiché una delicata interazione tra l'idrodinamica fluttuante e la topologia governa i modelli emergenti.

I risultati sono stati sorprendenti:da un lato la risposta dei due componenti BR e PC era molto diversa l’uno dall’altro e dall’altro era chiaramente diversa da quella di vari altri tipi di polimeri, come i polimeri lineari , stella o ramificato. In particolare, il modello dinamico dominante in altri polimeri sotto taglio ("vorticity tumbling") è soppresso (BR) o praticamente assente (PC) in questi polimeri topologicamente modificati.

Tipi di rotolamento imprevisti

"Ciò che abbiamo scoperto", afferma Christos Likos, coautore dello studio, "sono modelli dinamici completamente inaspettati in entrambi i tipi di polimeri ad anello, che chiamiamo gradient-tumbling e slip-tumbling". A causa dell'interazione tra idrodinamica e topologia ad anello, le molecole BR ruotano attorno alla direzione del gradiente, che è perpendicolare alla vorticità e agli assi del flusso. Si è scoperto che i BR sono in un movimento continuo di gradiente sotto taglio.

Al contrario, i PC diventano sottili, si orientano vicino all’asse del flusso e mantengono una conformazione fissa, allungata e non ribaltabile sotto taglio. Invece, a causa della loro particolare forma di collegamento meccanico, i PC mostrano dinamiche intermittenti, con scambi occasionali dei due anelli mentre scivolano l'uno attraverso l'altro, uno schema che gli autori dell'articolo chiamano slip-tumbling.

Queste modalità di movimento inaspettate, che portano firme uniche delle topologie dei composti polimerici, sottolineano l’importanza dell’interazione tra idrodinamica e architettura del polimero. Infatti, i ricercatori hanno scoperto nelle loro simulazioni che quando gli effetti di riflusso vengono eliminati artificialmente, le differenze tra BR e PC scompaiono.

Queste modalità dinamiche hanno anche un effetto notevole sulle proprietà meccaniche della soluzione poiché i BR rilasciano tensioni interne mediante caduta, mentre i PC immagazzinano le sollecitazioni in modo permanente, determinando in quest'ultimo caso una viscosità molto più elevata. Ciò porta all'ipotesi che i diversi movimenti di rotolamento e le strutture di PC e BR potrebbero influenzare la viscosità di taglio - la resistenza di un fluido al flusso sotto taglio che riflette il suo attrito interno e la capacità di deformarsi - di soluzioni altamente concentrate o polimeri fusi di queste molecole. /P>

Sono necessari ulteriori studi sperimentali e teorici per verificare questa ipotesi. Il presente studio è stato condotto da una cooperazione scientifica tra l'Università di Vienna, la Sharif University of Technology in Iran e la Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) in Italia.

Il lavoro è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters .