Modelagem de polímeros para fabricação e sustentabilidade de próxima geração
Modelos de cadeias moleculares poliméricas ilustram as mudanças na dinâmica durante a fusão na fabricação. A imagem de fundo sugere as muitas configurações moleculares possíveis devido ao movimento browniano no polímero à medida que as cadeias ganham liberdade e se deformam. Crédito:Laboratório Nacional de Oak Ridge Polímeros são moléculas grandes produzidas pela ligação de uma série de blocos de construção idênticos. Eles são atraentes para fabricação porque são baratos e fáceis de processar e modificar.
Para expandir as aplicações dos polímeros e melhorar a sua sustentabilidade, os cientistas precisam de uma maior compreensão da sua dinâmica estrutural. Esses materiais macios passam por condições variáveis durante a fabricação. Isto pode afetar suas propriedades finais e desempenho. À medida que os polímeros passam por mudanças de fase (por exemplo, de sólido para líquido), a forma como reagem às forças torna-se cada vez mais complexa e difícil de medir.
Neste trabalho, os pesquisadores combinaram teoria e modelagem computacional para caracterizar polímeros fundidos sob condições de fluxo constante. Eles encontraram recursos universais que podem auxiliar no projeto de materiais poliméricos avançados. A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters .
Os polímeros estão avançando na fabricação, especialmente na fabricação aditiva ou na impressão 3D. As empresas podem usar esses materiais macios de baixo custo e facilmente processados para fabricar muitas peças, ferramentas e produtos diferentes. O avanço dos polímeros poderia permitir à indústria fabricar eficientemente produtos de maior qualidade com propriedades personalizadas e formas e estruturas complexas. Isto expandiria o uso de polímeros em aplicações de alto desempenho, como automóveis e aeroespacial.
Os pesquisadores têm uma boa compreensão da dinâmica dos polímeros em um estado de equilíbrio. No entanto, faltam informações sobre como os polímeros respondem ao estresse e às mudanças de temperatura durante o processamento. A abordagem de modelagem neste estudo permite aos pesquisadores extrair essas informações. Isso poderia levar a previsões de desempenho mais precisas e a um melhor design de materiais poliméricos.
Os materiais poliméricos, incluindo o plástico e a borracha, são constituídos por longas cadeias de moléculas que podem ser movimentadas pela aplicação de energia, como a alteração da temperatura ou a aplicação de uma força externa. No material polimérico a granel, muitas dessas cadeias poliméricas estão emaranhadas e interagem por meio de movimento aleatório, ou movimento browniano, que pode estar diretamente ligado a propriedades observáveis. Os pneus dos automóveis, por exemplo, tornam-se mais flexíveis em temperaturas mais altas e mais rígidos em climas frios.
Quando os polímeros são derretidos, eles fluem, o que significa que as cadeias moleculares interagem entre si e com outras cadeias de moléculas e também são livres para se moverem de maneira diferente em diferentes direções. A teoria da probabilidade pode caracterizar a física dos polímeros em um estado de equilíbrio, mas não tem sido suficiente para descrever polímeros sob fluxo que introduzem complexidade matemática adicional.
Neste estudo, os pesquisadores introduziram dois métodos principais para "imprimir digitais" a dinâmica complexa do fluxo de polímeros. Eles expandiram o movimento browniano com quadros de referência complementares para abordar os movimentos da cadeia polimérica única em relação ao fluxo e usaram uma técnica de expansão harmônica esférica para resolver o movimento anisotrópico.
Mais informações: Zhiqiang Shen et al, Fingerprinting Brownian Motions of Polymers under Flow, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.057801 Informações do diário: Cartas de revisão física
