Les polymères sont de grosses molécules fabriquées en reliant une série de blocs de construction identiques. Ils sont attrayants pour la fabrication car ils sont peu coûteux et faciles à traiter et à modifier.
Pour élargir les applications des polymères et améliorer leur durabilité, les scientifiques doivent mieux comprendre leur dynamique structurelle. Ces matériaux souples subissent des conditions changeantes au cours de la fabrication. Cela peut affecter leurs propriétés finales et leurs performances. À mesure que les polymères subissent des changements de phase (par exemple, de solide à liquide), la façon dont ils réagissent aux forces devient de plus en plus complexe et difficile à mesurer.
Dans ce travail, les chercheurs ont combiné théorie et modélisation informatique pour caractériser les polymères fondus dans des conditions d'écoulement constant. Ils ont découvert des fonctionnalités universelles pouvant faciliter la conception de matériaux polymères avancés. La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters .
Les polymères font progresser la fabrication, notamment la fabrication additive ou l’impression 3D. Les entreprises peuvent utiliser ces matériaux souples à faible coût et faciles à transformer pour fabriquer de nombreuses pièces, outils et produits différents. Les progrès des polymères pourraient permettre à l’industrie de fabriquer efficacement des produits de meilleure qualité dotés de propriétés sur mesure et de formes et structures complexes. Cela élargirait l'utilisation des polymères dans des applications hautes performances telles que l'automobile et l'aérospatiale.
Les chercheurs ont une bonne compréhension de la dynamique des polymères à l’état d’équilibre. Cependant, ils manquent d’informations sur la manière dont les polymères réagissent aux contraintes et aux changements de température au cours du traitement. L'approche de modélisation utilisée dans cette étude permet aux chercheurs d'extraire ces informations. Cela pourrait conduire à des prévisions de performances plus précises et à une meilleure conception des matériaux polymères.
Les matériaux polymères, notamment le plastique et le caoutchouc, sont constitués de longues chaînes de molécules qui peuvent être déplacées en appliquant de l'énergie, par exemple en changeant la température ou en appliquant une force externe. Dans le matériau polymère en vrac, bon nombre de ces chaînes polymères sont enchevêtrées et interagissent via un mouvement aléatoire, ou mouvement brownien, qui peut être directement lié à des propriétés observables. Les pneus de voiture, par exemple, deviennent plus souples à des températures plus élevées et plus rigides par temps froid.
Lorsque les polymères fondent, ils coulent, ce qui signifie que les chaînes moléculaires interagissent avec elles-mêmes et avec d’autres chaînes moléculaires et sont également libres de se déplacer différemment dans des directions différentes. La théorie des probabilités peut caractériser la physique des polymères dans un état d'équilibre, mais n'a pas été suffisante pour décrire les polymères sous écoulement qui introduisent une complexité mathématique supplémentaire.
Dans cette étude, les chercheurs ont introduit deux méthodes clés pour déterminer la dynamique complexe des flux de polymères par « empreintes digitales ». Ils ont développé le mouvement brownien avec des cadres de référence complémentaires pour traiter les mouvements d'une chaîne de polymère unique par rapport à l'écoulement et ont utilisé une technique d'expansion harmonique sphérique pour résoudre le mouvement anisotrope.
Plus d'informations : Zhiqiang Shen et al, Empreinte digitale des mouvements browniens des polymères sous écoulement, Physical Review Letters (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.057801
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par le Département américain de l'énergie
