Antes de projetar a próxima geração de materiais macios, os pesquisadores devem primeiro entender como eles se comportam durante a deformação que muda rapidamente. Em um novo estudo, os pesquisadores desafiaram as suposições anteriores sobre o comportamento do polímero com técnicas de laboratório desenvolvidas recentemente que medem o fluxo do polímero em nível molecular.

Esta abordagem pode levar à concepção de novos sistemas biomédicos, aplicações industriais e ambientais - de polímeros que ajudam na coagulação do sangue a materiais que extraem petróleo e gás de poços com mais eficiência.

Os resultados são publicados na revista Cartas de revisão física .

Compreender a mecânica de como os materiais reagem molecularmente aos fluxos variáveis ​​é fundamental para o desenvolvimento de materiais de alta qualidade, os pesquisadores disseram, e definir uma estrutura para interpretar e descrever essas propriedades iludiu os cientistas por décadas.

"Quando os materiais poliméricos - sintéticos ou biológicos - são deformados, eles reagem em escalas macroscópicas e moleculares, "disse Simon Rogers, professor de engenharia química e biomolecular da Universidade de Illinois e principal autor do novo estudo. "A relação entre as duas escalas de resposta é complexa e tem sido, até agora, difícil de descrever. "

Estudos anteriores tentaram caracterizar a relação entre os comportamentos microscópicos e macroscópicos da deformação do polímero matematicamente, os pesquisadores disseram, mas não foram capazes de relacionar a física a quaisquer observações microestruturais bem definidas.

"Em nosso estudo, queríamos medir as propriedades estruturais e mecânicas dos polímeros durante a deformação, lançando luz diretamente sobre a origem das propriedades mecânicas únicas, "disse Johnny Ching-Wei Lee, um estudante de graduação e co-autor do estudo. "Achamos que talvez fosse melhor tentar usar observações diretas para explicar a física complexa."

No laboratório, os pesquisadores mediram simultaneamente as deformações multiescala combinando ferramentas tradicionais para medir a tensão e a deformação no nível macroscópico com uma técnica chamada espalhamento de nêutrons para observar a estrutura na escala molecular.

A equipe encontrou algo inesperado.

"Com dispersão de nêutrons e medições de fluxo simultâneas, somos capazes de correlacionar diretamente estrutura e propriedades mecânicas com uma resolução de tempo da ordem de milissegundos, "disse a coautora do estudo Katie Weigandt, um pesquisador do Instituto Nacional de Padrões e Centro de Tecnologia para Ciência de Nêutrons. "Esta abordagem levou a um entendimento fundamental em uma ampla gama de fluidos complexos nanoestruturados, e neste trabalho, valida novas abordagens para fazer medições de fluxo de polímero. "

"Pesquisas anteriores presumiram que a quantidade de deformação aplicada na macroescala é o que os materiais macios experimentam na microescala, "Disse Lee." Mas os dados de espalhamento de nêutrons de nosso estudo mostram claramente que é a deformação que pode ser recuperada que importa porque dita toda a resposta, em termos de fluxo macroscópico - algo que antes era desconhecido. "

Os pesquisadores disseram que este desenvolvimento ajudará a retificar vários fenômenos mal compreendidos na pesquisa de polímeros, por exemplo, porque os polímeros se expandem durante os processos de impressão tridimensional.

"Criamos o que chamamos de relação estrutura-propriedade-processamento, "Rogers disse." Isso sutil, ainda assim, uma maneira fundamentalmente diferente de pensar sobre o comportamento do polímero resume o que vemos como um relacionamento simples e bonito que esperamos ter um grande impacto. "

A pesquisa traz ideias importantes para o desafio de longa data da matéria condensada mole, e a equipe disse que as relações estabelecidas de estrutura-propriedade-processamento podem fornecer um novo critério de projeto para materiais macios.