Факультет химии Ливерпульского университета впервые разработал метод, позволяющий лучше понять, как полимерные цепи реагируют на изменяющиеся потоки растворителей, что дает ценную информацию для науки и таких отраслей, как добыча нефти и фотоэлектрическая энергетика. Новое исследование является важным прорывом в науке о полимерах.
В статье, недавно опубликованной на обложке журнала Nature Chemistry, исследователи из Ливерпуля использовали механохимию, чтобы описать, как полимерные цепи в растворе реагируют на внезапное ускорение потока окружающего растворителя. Новый метод, наконец, дает ответ на фундаментальный технический вопрос, который озадачивал ученых-полимерщиков последние 50 лет.
Фрагментация макромолекулярных растворов в быстрых потоках имеет очень важное фундаментальное и практическое значение. Последовательность молекулярных событий, предшествующих разрыву цепи, плохо изучена, поскольку такие события невозможно наблюдать непосредственно, а следует судить по изменениям объемного состава текущего раствора. Здесь мы описываем, как молекулярная геометрия цепей, претерпевающих механохимические реакции в обработанных ультразвуком растворах, может быть подробно описана путем анализа конкуренции коцепей между разрывом полистирольных цепей и изомеризацией хромофоров, встроенных в их основные цепи. В последних экспериментах чрезмерно растянутые (механически нагруженные) сегменты растут и дрейфуют вдоль основной цепи в том же временном масштабе, что и механохимические реакции, и конкурируют с ними. Следовательно, менее 30% основы фрагментированной цепи перерастянуто, а максимальная сила и максимальная вероятность реакции расположены далеко от центра цепи. Следовательно, количественная оценка внутрицепной конкуренции может иметь механистическое значение для любого потока, который достаточно быстр, чтобы вызвать разрыв полимерной цепи.
Исторические вызовы и последствия
С 1980-х годов исследователи пытались понять уникальную реакцию растворенных полимерных цепей на внезапное ускорение потоков растворителя. Однако они были ограничены сильно упрощенными потоками растворителей и имели ограниченное представление о поведении реальных систем.
Новое открытие ливерпульских химиков, профессора Романа Булатова и доктора Роберта О'Нила, имеет важное научное значение для многих областей физических наук, а также практическое значение для контроля реологии на основе полимеров, используемых во многих промышленных процессах стоимостью в несколько миллионов долларов, таких как увеличение добычи нефти и газа, магистральные трубопроводы и фотоэлектрическое производство.
Профессор Роман Булатов заявил: «Наше открытие решает фундаментальную техническую проблему в науке о полимерах и потенциально может перевернуть наше нынешнее понимание поведения цепей в кавитирующих потоках растворителей».
Доктор Роберт О'Нил, соавтор статьи, добавил: «Наша методологическая демонстрация показывает, что наше понимание того, как полимерные цепи реагируют на внезапное ускорение потока растворителя в кавитированных растворах, слишком упрощено, чтобы поддерживать систематическое проектирование новых полимерных структур и композиций для достижения эффективного и экономичного реологического контроля в этом контексте, а также для получения фундаментального молекулярного понимания механикохимии, вызванной потоком. Наша статья имеет важные последствия для нашей способности изучать неравновесную динамику полимерных цепей на молекулярном уровне. масштабе длины, что позволяет нам ответить на фундаментальные вопросы о том, как энергия течет между молекулами и внутри них, и как энергия преобразуется из кинетической энергии в потенциальную и обратно в свободную энергию».
Команда планирует сосредоточиться на расширении области применения и возможностей своего нового метода и использовании его для картирования физики молекулярного масштаба, чтобы точно прогнозировать поведение потока для любой комбинации полимера, растворителя и условий течения.