Avant de concevoir la prochaine génération de matériaux souples, les chercheurs doivent d'abord comprendre comment ils se comportent lors d'une déformation en évolution rapide. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont remis en question les hypothèses précédentes concernant le comportement des polymères avec des techniques de laboratoire nouvellement développées qui mesurent le flux de polymère au niveau moléculaire.

Cette approche peut conduire à la conception de nouvelles technologies biomédicales, applications industrielles et environnementales, des polymères qui aident à la coagulation du sang aux matériaux qui extraient plus efficacement le pétrole et le gaz des puits.

Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Comprendre la mécanique de la réaction moléculaire des matériaux aux flux changeants est essentiel pour développer des matériaux de haute qualité, les chercheurs ont dit, et définir un cadre pour interpréter et décrire ces propriétés a échappé aux scientifiques pendant des décennies.

"Lorsque les matériaux polymères - synthétiques ou biologiques - sont déformés, ils réagissent aux échelles macroscopique et moléculaire, " a déclaré Simon Rogers, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de l'Illinois et auteur principal de la nouvelle étude. "La relation entre les deux échelles de réponse est complexe et a été, jusqu'à maintenant, difficile à décrire."

Des études antérieures ont tenté de caractériser mathématiquement la relation entre les comportements microscopiques et macroscopiques de la déformation des polymères, les chercheurs ont dit, mais ont été incapables de relier la physique à des observations microstructurales bien définies.

« Dans notre étude, nous voulions mesurer à la fois les propriétés structurelles et mécaniques des polymères lors de la déformation, éclairant directement l'origine de propriétés mécaniques uniques, " a déclaré Johnny Ching-Wei Lee, un étudiant diplômé et co-auteur de l'étude. "Nous avons pensé qu'il était peut-être préférable d'essayer d'utiliser des observations directes pour expliquer la physique complexe."

Dans le laboratoire, les chercheurs ont simultanément mesuré des déformations multi-échelles en combinant des outils traditionnels de mesure des contraintes et des déformations au niveau macroscopique avec une technique appelée diffusion de neutrons pour observer la structure à l'échelle moléculaire.

L'équipe a trouvé quelque chose d'inattendu.

"Avec des mesures simultanées de diffusion de neutrons et de flux, nous sommes capables de corréler directement la structure et les propriétés mécaniques avec une résolution temporelle de l'ordre de la milliseconde, " a déclaré Katie Weigandt, co-auteur de l'étude, un chercheur du National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Science. "Cette approche a conduit à une compréhension fondamentale dans une large gamme de fluides complexes nanostructurés, et dans ce travail, valide de nouvelles approches pour effectuer des mesures d'écoulement de polymère. "

"Les recherches précédentes avaient supposé que la quantité de déformation appliquée à l'échelle macro est ce que les matériaux mous subissent à l'échelle micro, " a déclaré Lee. "Mais les données de diffusion des neutrons de notre étude montrent clairement que c'est la déformation qui peut être récupérée qui compte car elle dicte toute la réponse, en termes de flux macroscopique - quelque chose qui était auparavant inconnu."

Les chercheurs ont déclaré que ce développement aidera à rectifier plusieurs phénomènes mal compris dans la recherche sur les polymères, comme la raison pour laquelle les polymères se dilatent pendant les processus d'impression en trois dimensions.

« Nous avons mis au point ce que nous appelons une relation structure-propriété-traitement, " dit Rogers. " Ce subtil, Pourtant, une façon de penser fondamentalement différente du comportement des polymères résume ce que nous considérons comme une relation simple et magnifique qui, selon nous, aura un impact considérable. »

La recherche apporte des informations clés sur le défi de longue date de la matière molle condensée, et l'équipe a déclaré que les relations structure-propriété-traitement établies pourraient fournir un nouveau critère de conception pour les matériaux mous.