Los experimentos de corte de fluidos permiten la caracterización de importantes propiedades reológicas como la viscosidad (resistencia a la deformación o al flujo) y la tixotropía (disminución de la viscosidad bajo la influencia del corte), que son importantes en aplicaciones que van desde procesos industriales hasta medicina. En los últimos años ya se han realizado estudios sobre el comportamiento de corte de fluidos viscoelásticos creados mediante la introducción de polímeros en fluidos newtonianos.

Sin embargo, un enfoque novedoso en la investigación actual implica la consideración de la topología de los polímeros (la disposición espacial y la estructura de las moléculas) mediante el uso de polímeros en anillo. Los polímeros en anillo son macromoléculas compuestas de unidades que se repiten, formando bucles cerrados sin extremos libres.

Cuestión de vinculación

El primer autor Reyhaneh Farimani explica:"Para nuestros experimentos de simulación por computadora bajo corte, consideramos dos tipos similares de pares de anillos conectados:uno en el que el enlace es químico, llamado anillos unidos (BR), y otro en el que el enlace es mecánico a través de un Enlace de Hopf, llamado policatenanes (PC)."

Se puso especial énfasis en tener en cuenta las interacciones hidrodinámicas a través de técnicas de simulación apropiadas, lo que resultó ser crucial ya que una delicada interacción entre la hidrodinámica fluctuante y la topología gobierna los patrones emergentes.

Los resultados fueron sorprendentes:por un lado, la respuesta de los dos componentes, BR y PC, fue muy diferente entre sí y, por otro lado, fue claramente diferente de la de otros tipos de polímeros, como los lineales. , estrella o ramificada. En particular, el patrón dinámico dominante en otros polímeros bajo cizallamiento ("vorticidad giratoria") está suprimido (BR) o prácticamente ausente (PC) en estos polímeros topológicamente modificados.

Tipos de caídas inesperadas

"Lo que descubrimos", dice Christos Likos, coautor del estudio, "son patrones dinámicos completamente inesperados en ambos tipos de polímeros anulares, que llamamos caída de gradiente y caída deslizante". Debido a una interacción entre la hidrodinámica y la topología de anillo, las moléculas de BR giran en la dirección del gradiente, que es perpendicular a los ejes de vorticidad y flujo. Se encuentra que los BR están en un movimiento continuo de gradiente bajo corte.

Por el contrario, las PC se vuelven delgadas, se orientan cerca del eje del flujo y mantienen una conformación fija, estirada y que no gira bajo cizallamiento. En cambio, debido a su forma peculiar de conexión mecánica, las PC exhiben una dinámica intermitente, con un intercambio ocasional de los dos anillos a medida que se deslizan entre sí, un patrón que los autores del artículo llaman deslizamiento.

Estos modos de movimiento inesperados, que llevan firmas únicas de las topologías de los compuestos poliméricos, subrayan la importancia de la interacción entre la hidrodinámica y la arquitectura del polímero. De hecho, los investigadores descubrieron en sus simulaciones que cuando los efectos de reflujo se eliminan artificialmente, las diferencias entre BR y PC desaparecen.

Estos modos dinámicos también tienen un efecto notable en las propiedades mecánicas de la solución, ya que los BR liberan tensiones internas al girar, mientras que las PC almacenan tensiones de forma permanente, lo que resulta en una viscosidad mucho mayor en el último caso. Esto lleva a la hipótesis de que los diferentes movimientos giratorios y estructuras de las PC y las BR podrían influir en la viscosidad de corte (la resistencia de un fluido a fluir bajo corte que refleja su fricción interna y su capacidad de deformarse) de soluciones altamente concentradas o polímeros fundidos de estas moléculas. /P>

Se necesitan más estudios experimentales y teóricos para probar esta hipótesis. El estudio actual fue realizado por una cooperación científica entre la Universidad de Viena, la Universidad Tecnológica Sharif en Irán y la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) en Italia.

El trabajo está publicado en la revista Physical Review Letters. .