Física de fluidos complexos:polímeros em anel mostram padrões de movimento inesperados sob cisalhamento
Esquema do deslizamento de poli[2]catenano e do gradiente de anel ligado. Crédito:Reyhaneh A. Farimani O cisalhamento de fluidos – ou seja, o deslizamento de camadas de fluido umas sobre as outras sob forças de cisalhamento – é um conceito importante na natureza e na reologia, a ciência que estuda o comportamento do fluxo da matéria, incluindo líquidos e sólidos moles. As forças de cisalhamento são forças laterais aplicadas paralelamente a um material, induzindo deformação ou deslizamento entre suas camadas.
Experimentos de cisalhamento de fluidos permitem a caracterização de importantes propriedades reológicas como viscosidade (resistência à deformação ou fluxo) e tixotropia (diminuição da viscosidade sob a influência do cisalhamento), importantes em aplicações que vão desde processos industriais até a medicina. Estudos sobre o comportamento ao cisalhamento de fluidos viscoelásticos criados pela introdução de polímeros em fluidos newtonianos já foram realizados nos últimos anos.
No entanto, uma nova abordagem na pesquisa atual envolve a consideração da topologia do polímero – o arranjo espacial e a estrutura das moléculas – usando polímeros em anel. Polímeros em anel são macromoléculas compostas por unidades repetidas, formando alças fechadas sem extremidades livres.
Uma questão de vinculação
O primeiro autor, Reyhaneh Farimani, explica:"Para nossos experimentos de simulação de computador sob cisalhamento, consideramos dois tipos semelhantes de pares de anéis conectados:um em que a ligação é química, chamado de anéis ligados (BRs), e outro em que a ligação é mecânica por meio de um Link Hopf, chamado policatenanos (PCs)."
Ênfase especial foi dada à consideração das interações hidrodinâmicas através de técnicas de simulação apropriadas, o que provou ser crucial, uma vez que uma interação delicada entre a hidrodinâmica flutuante e a topologia governa os padrões emergentes.
Os resultados foram surpreendentes:por um lado, a resposta dos dois componentes, BRs e PCs, foi muito diferente um do outro - e por outro lado, foi claramente diferente daquela de vários outros tipos de polímeros, como polímeros lineares. , estrela ou ramificado. Em particular, o padrão dinâmico dominante em outros polímeros sob cisalhamento ("turbulência de vorticidade") é suprimido (BRs) ou virtualmente ausente (PCs) nestes polímeros topologicamente modificados.
Tipos inesperados de tombos
“O que descobrimos”, diz Christos Likos, coautor do estudo, “são padrões dinâmicos completamente inesperados em ambos os tipos de polímeros em anel, que chamamos de inclinação gradiente e queda deslizante”. Devido a uma interação entre a hidrodinâmica e a topologia do anel, as moléculas BR giram em torno da direção do gradiente, que é perpendicular aos eixos de vorticidade e fluxo. Descobriu-se que os BRs estão em um movimento contínuo de inclinação gradiente sob cisalhamento.
Pelo contrário, os PCs tornam-se finos, orientam-se perto do eixo do fluxo e mantêm uma conformação fixa, esticada e não oscilante sob cisalhamento. Em vez disso, devido à sua forma peculiar de ligação mecânica, os PCs exibem dinâmica intermitente, com troca ocasional dos dois anéis à medida que deslizam um pelo outro, um padrão que os autores do artigo chamam de escorregamento.
Esses modos inesperados de movimento, que apresentam assinaturas únicas das topologias dos compostos poliméricos, ressaltam a importância da interação entre a hidrodinâmica e a arquitetura polimérica. Na verdade, os investigadores descobriram nas suas simulações que quando os efeitos de refluxo são eliminados artificialmente, as diferenças entre BRs e PCs desaparecem.
Esses modos dinâmicos também têm um efeito notável nas propriedades mecânicas da solução, uma vez que os BRs liberam tensões internas por tombamento, enquanto os PCs armazenam tensões permanentemente, resultando em uma viscosidade muito maior no último caso. Isso leva à hipótese de que os diferentes movimentos de rotação e estruturas de PCs e BRs poderiam influenciar a viscosidade de cisalhamento - a resistência de um fluido ao fluxo sob cisalhamento refletindo seu atrito interno e capacidade de deformação - de soluções altamente concentradas ou fusão de polímeros dessas moléculas.
Mais estudos experimentais e teóricos são necessários para testar esta hipótese. O presente estudo foi conduzido por uma cooperação científica entre a Universidade de Viena, a Universidade de Tecnologia Sharif no Irã e a Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA) na Itália.
O trabalho está publicado na revista Physical Review Letters .
