Das Scheren von Flüssigkeiten – also das Übereinandergleiten von Flüssigkeitsschichten unter Scherkräften – ist ein wichtiges Konzept in der Natur und in der Rheologie, der Wissenschaft, die das Fließverhalten von Materie, einschließlich Flüssigkeiten und weichen Feststoffen, untersucht. Scherkräfte sind seitliche Kräfte, die parallel zu einem Material wirken und eine Verformung oder ein Verrutschen zwischen seinen Schichten hervorrufen.
Experimente zur Flüssigkeitsscherung ermöglichen die Charakterisierung wichtiger rheologischer Eigenschaften wie Viskosität (Widerstand gegen Verformung oder Fließen) und Thixotropie (Abnahme der Viskosität unter Schereinfluss), die in Anwendungen von industriellen Prozessen bis hin zur Medizin wichtig sind. In den letzten Jahren wurden bereits Untersuchungen zum Scherverhalten viskoelastischer Flüssigkeiten durchgeführt, die durch das Einbringen von Polymeren in Newtonsche Flüssigkeiten entstehen.
Ein neuartiger Ansatz in der aktuellen Forschung beinhaltet jedoch die Berücksichtigung der Polymertopologie – der räumlichen Anordnung und Struktur von Molekülen – durch den Einsatz von Ringpolymeren. Ringpolymere sind Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Einheiten bestehen und geschlossene Schleifen ohne freie Enden bilden.
Eine Frage der Verlinkung
Erstautorin Reyhaneh Farimani erklärt: „Für unsere Computersimulationsexperimente unter Scherung haben wir zwei ähnliche Arten verbundener Ringpaare in Betracht gezogen: Eines, bei dem die Verbindung chemisch erfolgt, sogenannte gebundene Ringe (BRs), und eines, bei dem die Verbindung mechanisch über a erfolgt Hopf-Link, sogenannte Polycatenane (PCs).
Besonderer Wert wurde auf die Berücksichtigung hydrodynamischer Wechselwirkungen durch geeignete Simulationstechniken gelegt, was sich als entscheidend erwies, da ein empfindliches Zusammenspiel zwischen schwankender Hydrodynamik und Topologie die entstehenden Muster bestimmt.
Die Ergebnisse waren überraschend: Einerseits war die Reaktion der beiden Komponenten BR und PC sehr unterschiedlich – und andererseits deutlich anders als bei verschiedenen anderen Polymertypen, beispielsweise linearen , Stern oder verzweigt. Insbesondere ist das vorherrschende dynamische Muster in anderen Polymeren unter Scherung („Vorticity Tumbling“) in diesen topologisch modifizierten Polymeren entweder unterdrückt (BRs) oder praktisch nicht vorhanden (PCs).
Unerwartete Arten des Taumelns
„Was wir entdeckt haben“, sagt Christos Likos, Co-Autor der Studie, „sind völlig unerwartete dynamische Muster in beiden Ringpolymertypen, die wir Gradient-Tumbling und Slip-Tumbling nennen.“ Aufgrund eines Zusammenspiels von Hydrodynamik und Ringtopologie taumeln die BR-Moleküle um die Gradientenrichtung, die senkrecht zur Wirbel- und Strömungsachse verläuft. Es wurde festgestellt, dass BRs sich unter Scherung in einer kontinuierlichen Gradienten-Taumelbewegung befinden.
Im Gegenteil, PCs werden dünn, orientieren sich nahe an der Strömungsachse und behalten unter Scherung eine feste, gestreckte und nicht taumelnde Konformation bei. Stattdessen zeigen PCs aufgrund ihrer besonderen Form der mechanischen Verbindung eine intermittierende Dynamik mit gelegentlichem Austausch der beiden Ringe, wenn sie durcheinander gleiten, ein Muster, das die Autoren des Artikels „Slip-Tumbling“ nennen.
Diese unerwarteten Bewegungsmodi, die einzigartige Signaturen der Topologien der Polymerverbindungen tragen, unterstreichen die Bedeutung des Zusammenspiels zwischen Hydrodynamik und Polymerarchitektur. Tatsächlich fanden die Forscher in ihren Simulationen heraus, dass die Unterschiede zwischen BRs und PCs verschwinden, wenn die Rückflusseffekte künstlich eliminiert werden.
Diese dynamischen Modi haben auch einen spürbaren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Lösung, da BRs durch Taumeln innere Spannungen freisetzen, wohingegen PCs Spannungen dauerhaft speichern, was im letzteren Fall zu einer viel höheren Viskosität führt. Dies führt zu der Hypothese, dass die unterschiedlichen Taumelbewegungen und Strukturen von PCs und BRs die Scherviskosität – den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Strömung unter Scherung, der ihre innere Reibung und Fähigkeit zur Verformung widerspiegelt – hochkonzentrierter Lösungen oder Polymerschmelzen dieser Moleküle beeinflussen könnten.
Um diese Hypothese zu überprüfen, sind weitere experimentelle und theoretische Studien erforderlich. Die aktuelle Studie wurde in einer wissenschaftlichen Kooperation zwischen der Universität Wien, der Sharif University of Technology im Iran und der International School of Advanced Studies (SISSA) in Italien durchgeführt.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Mehr Informationen:
Reyhaneh A. Farimani et al., Auswirkungen der Verknüpfungstopologie auf die Scherreaktion verbundener Ringpolymere: Catenane und gebundene Ringe fließen unterschiedlich, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.148101