Эксперименты с сдвиговыми деформациями жидкостей - это важное направление в реологии, науке, изучающей поведение потока материи, включая жидкости и мягкие твёрдые тела. Сдвиговые силы прикладываются параллельно поверхности материала, что вызывает деформацию двига или, условно говоря, скольжение между его слоями.
Эксперименты по сдвигу жидкости позволяют характеризовать такие важные реологические свойства, как вязкость (сопротивление деформации или потоку) и тиксотропия (уменьшение вязкости под воздействием сдвига), которые имеют важное значение в приложениях, начиная от промышленных процессов и заканчивая медициной. Исследования поведения при сдвиге вязкоупругих жидкостей, созданных путём введения полимеров в ньютоновские жидкости, уже проводились в последние годы.
Однако новый подход в текущих исследованиях заключается в учете топологии полимера - пространственной организации и структуры молекул - с использованием кольцевых полимеров. Кольцевые полимеры - это макромолекулы, состоящие из повторяющихся звеньев, образующих замкнутые петли без свободных концов.
"В наших компьютерных экспериментах под воздействием сдвига мы рассмотрели два похожих типа связанных пар кольцевых полимеров: один, в котором связь является химической, называемый связанными кольцами (BRs), и другой, в котором связь механическая через хопфовское звено, называемый поликатенанами (PCs)" - объясняет Рейхане Фаримани, ведущий автор нового исследования.
Особое внимание было уделено учету гидродинамических взаимодействий с помощью соответствующих техник симуляции, что оказалось критически важным, так как тонкое взаимодействие между флуктуирующей гидродинамикой и топологией определяет возникающие узоры.
Результаты оказались удивительными: с одной стороны, реакция двух компонентов, BRs и PCs, была очень разной друг от друга, а с другой стороны, она была явно отличной от реакции различных других типов полимеров, таких как линейные, звездообразные или разветвлённые. В частности, доминирующий динамический паттерн в других полимерах при сдвиге («перекатывание по вортексу») либо подавляется (BRs), либо практически отсутствует (PCs) у этих топологически измененных полимеров.
В отличие от этого, PCs становятся тонкими, ориентируются вблизи оси потока и сохраняют фиксированную, растянутую и не перекатывающуюся конформацию под действием сдвига. Вместо этого, из-за своей особенной формы механической связи, PCs демонстрируют прерывистую динамику с периодической сменой двух колец, когда они скользят друг через друга, модель, которую авторы статьи называют скользящим перекатыванием.
Эти неожиданные способы движения, которые несут уникальные характеристики топологий полимерных соединений, подчеркивают важность взаимодействия между гидродинамикой и архитектурой полимеров. Фактически, исследователи обнаружили в своих симуляциях, что когда эффекты обратного течения искусственно устраняются, различия между BRs и PCs исчезают.
Эти динамические режимы также оказывают заметное влияние на механические свойства раствора, так как BRs снимают внутренние напряжения за счет перекатывания, в то время как PCs постоянно сохраняют напряжения, что приводит к значительно более высокой вязкости в последнем случае. Это приводит к гипотезе о том, что различные движения перекатывания и структуры PCs и BRs могут влиять на сдвиговую вязкость – сопротивление жидкости потоку под действием сдвига, отражающее ее внутреннее трение и способность к деформации – высококонцентрированных растворов или расплавов этих молекул.
Источник:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.148101
-------------------------------------
Вы можете поддержать проект подпиской на канал, реакциями и комментариями, а также подписавшись на наши страницы на других площадках и на сервисе поддержки авторов Бусти. Ссылки найдёте в описании канала. Заранее спасибо!