Les expériences de cisaillement des fluides permettent de caractériser des propriétés rhéologiques importantes telles que la viscosité (résistance à la déformation ou à l'écoulement) et la thixotropie (diminution de la viscosité sous l'influence du cisaillement), qui sont importantes dans des applications allant des procédés industriels à la médecine. Des études sur le comportement au cisaillement des fluides viscoélastiques créés par l'introduction de polymères dans des fluides newtoniens ont déjà été menées ces dernières années.

Cependant, une nouvelle approche dans la recherche actuelle implique la prise en compte de la topologie des polymères (la disposition spatiale et la structure des molécules) en utilisant des polymères cycliques. Les polymères cycliques sont des macromolécules composées d'unités répétitives, formant des boucles fermées sans extrémités libres.

Une question de lien

Le premier auteur, Reyhaneh Farimani, explique :« Pour nos expériences de simulation informatique sous cisaillement, nous avons considéré deux types similaires de paires d'anneaux connectés :un dans lequel la liaison est chimique, appelé anneaux liés (BR), et un dans lequel la liaison est mécanique via un Lien Hopf, appelé polycaténanes (PC)."

Un accent particulier a été mis sur la prise en compte des interactions hydrodynamiques grâce à des techniques de simulation appropriées, ce qui s'est avéré crucial puisqu'une interaction délicate entre l'hydrodynamique fluctuante et la topologie régit les modèles émergents.

Les résultats ont été surprenants :d'une part, la réponse des deux composants, BR et PC, était très différente l'une de l'autre et, d'autre part, elle était clairement différente de celle de divers autres types de polymères, tels que les polymères linéaires. , étoilé ou ramifié. En particulier, le motif dynamique dominant dans d'autres polymères soumis à un cisaillement ("tumbling par tourbillon") est soit supprimé (BR), soit pratiquement absent (PC) dans ces polymères topologiquement modifiés.

Types de culbutes inattendus

"Ce que nous avons découvert", explique Christos Likos, co-auteur de l'étude, "sont des modèles dynamiques complètement inattendus dans les deux types de polymères annulaires, que nous appelons gradient-tumbling et slip-tumbling". En raison d'une interaction entre l'hydrodynamique et la topologie en anneau, les molécules BR basculent autour de la direction du gradient, perpendiculaire aux axes du tourbillon et de l'écoulement. Les BR se révèlent être dans un mouvement de gradient continu sous cisaillement.

Au contraire, les PC deviennent minces, s'orientent près de l'axe d'écoulement et conservent une conformation fixe, étirée et non culbutante sous cisaillement. Au lieu de cela, en raison de leur forme particulière de liaison mécanique, les PC présentent une dynamique intermittente, avec un échange occasionnel des deux anneaux lorsqu'ils glissent l'un dans l'autre, un modèle que les auteurs de l'article appellent slip-tumbling.

Ces modes de mouvement inattendus, qui portent des signatures uniques des topologies des composés polymères, soulignent l'importance de l'interaction entre l'hydrodynamique et l'architecture des polymères. En fait, les chercheurs ont découvert dans leurs simulations que lorsque les effets de reflux sont artificiellement éliminés, les différences entre les BR et les PC disparaissent.

Ces modes dynamiques ont également un effet notable sur les propriétés mécaniques de la solution puisque les BR libèrent des contraintes internes par culbutage, alors que les PC stockent les contraintes en permanence, ce qui entraîne dans ce dernier cas une viscosité beaucoup plus élevée. Cela conduit à l'hypothèse que les différents mouvements de culbutage et structures des PC et des BR pourraient influencer la viscosité de cisaillement (la résistance d'un fluide à l'écoulement sous cisaillement reflétant son frottement interne et sa capacité à se déformer) de solutions hautement concentrées ou de polymères fondus de ces molécules. /P>

D'autres études expérimentales et théoriques sont nécessaires pour tester cette hypothèse. La présente étude a été menée dans le cadre d'une coopération scientifique entre l'Université de Vienne, l'Université de technologie Sharif en Iran et l'École internationale d'études avancées (SISSA) en Italie.

Les travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters .