Les polymères qui composent les matériaux synthétiques ont besoin de temps pour se déstresser après le traitement, les chercheurs ont dit. Une nouvelle étude a révélé que l'enchevêtrement, les polymères à longue chaîne en solution se détendent à deux vitesses différentes, marquant une avancée dans la physique fondamentale des polymères. Les résultats fourniront une meilleure compréhension des propriétés physiques des matériaux polymères et de nouvelles informations essentielles sur la façon dont les molécules de polymère individuelles répondent aux conditions de traitement à haute contrainte.

L'étude, publié dans la revue Lettres d'examen physique , pourrait aider à améliorer la fabrication de matériaux synthétiques et a des applications en biologie, les sciences mécaniques et des matériaux ainsi que la physique de la matière condensée.

"Nos expériences sur une molécule unique montrent que les polymères aiment montrer leur comportement individualiste, qui a révélé une dynamique hétérogène inattendue et frappante dans des solutions de polymères enchevêtrés, " a déclaré le co-auteur Charles Schroeder, professeur de génie chimique et biomoléculaire et membre du corps professoral du Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. « L'un des principaux objectifs de nos recherches est de comprendre comment des polymères uniques, agissant en tant qu'individus, fonctionnent ensemble pour conférer aux matériaux des propriétés macroscopiques telles que la viscosité et la ténacité.

En utilisant une technique appelée microscopie à fluorescence à molécule unique, les chercheurs peuvent observer en temps réel les molécules de polymère individuelles se détendre après l'étirement, tirant et pressant du processus de fabrication. "Imaginez que vous regardez dans un bol de spaghettis cuits et observez le mouvement d'une seule nouille pendant que le bol est mélangé, " a déclaré Schroeder.

"Nous avons constaté que les polymères présentent l'un des deux modes de relaxation distincts, ", a déclaré le co-auteur et étudiant diplômé Yuecheng (Peter) Zhou. "Un groupe de polymères s'est détendu via un seul taux exponentiel de décomposition et l'autre groupe a montré un processus en deux phases. Cette seconde population subit une rétraction initiale très rapide suivie d'une lente relaxation. L'existence de deux populations moléculaires différentes était inattendue et non prédite par la théorie classique."

Cette étude a fonctionné avec de l'ADN de haut poids moléculaire car il sert de modèle idéal pour d'autres types de polymères organiques synthétiques, les chercheurs ont dit.

"Nous avons choisi l'ADN comme polymère modèle parce que c'est une très grosse molécule et que les chaînes sont assez grosses pour être imagées dans notre microscope, " a déclaré Schroeder. " Ils ont aussi tous le même poids, qui nous a fourni un très propre, système bien défini pour l'analyse des données."

Les chercheurs ont découvert que le pourcentage de la sous-population moléculaire qui présente le comportement de relaxation à deux phases augmente à mesure que la concentration globale de polymère augmente dans les solutions enchevêtrées.

"Nous ne savons pas pourquoi le mode de relaxation ou de rétraction rapide monomode semble dépendre de la concentration, mais cela peut avoir à voir avec une friction interpolymère améliorée - plus il y a de polymères, plus ils ont de chances d'interagir, surtout hors d'équilibre, " a déclaré Zhou. "Nous travaillons avec des théoriciens ici à l'Université de l'Illinois pour mieux expliquer les phénomènes de relaxation monomode et bimode."

L'équipe est ravie d'apporter de nouvelles connaissances sur la façon dont les fluides complexes s'écoulent et comment ils sont traités et fabriqués, notamment avec des polymères soumis à des contraintes intenses, tels que les fluides utilisés pour l'impression 3D.