Das Department of Chemistry der University of Liverpool hat eine Methode entwickelt, um besser zu verstehen, wie Polymerketten in wechselnden Lösungsmittelflüssen reagieren, und liefert wertvolle Erkenntnisse für die Wissenschaft und Industrien wie Ölförderung und Photovoltaik. Neue Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Durchbruch in der Polymerwissenschaft.
In einem kürzlich auf dem Cover der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher in Liverpool mithilfe der Mechanochemie, wie Polymerketten in Lösung auf plötzliche Beschleunigungen im Fluss des umgebenden Lösungsmittels reagieren. Die neue Methode liefert endlich eine Antwort auf eine grundlegende technische Frage, die Polymerwissenschaftler seit 50 Jahren beschäftigt.
Die Fragmentierung makromolekularer gelöster Stoffe in schnellen Strömungen hat eine sehr wichtige grundlegende und praktische Bedeutung. Die Abfolge molekularer Ereignisse vor dem Kettenbruch ist kaum verstanden, da solche Ereignisse nicht direkt beobachtet werden können, sondern aus Änderungen in der Massenzusammensetzung der fließenden Lösung abgeleitet werden müssen. Hier beschreiben wir, wie die molekulare Geometrie von Ketten, die in beschallten Lösungen mechanochemische Reaktionen durchlaufen, im Detail beschrieben werden kann, indem die Co-Kettenkonkurrenz zwischen der Spaltung von Polystyrolketten und der Isomerisierung der in ihren Rückgraten eingebetteten Chromophore analysiert wird. In den neuesten Experimenten wachsen und driften überdehnte (mechanisch belastete) Segmente im gleichen Zeitmaßstab und in Konkurrenz zu mechanochemischen Reaktionen entlang des Rückgrats. Daher sind weniger als 30 % des Rückgrats der fragmentierten Kette überdehnt und die maximale Kraft und maximale Reaktionswahrscheinlichkeit liegt weit entfernt vom Zentrum der Kette. Daher kann die Quantifizierung der Konkurrenz innerhalb der Kette für jeden Fluss, der schnell genug ist, um eine Spaltung der Polymerkette zu verursachen, von mechanistischer Bedeutung sein.
Historische Herausforderungen und Auswirkungen
Seit den 1980er Jahren versuchen Forscher, die einzigartige Reaktion gelöster Polymerketten auf plötzlich beschleunigte Lösungsmittelströme zu verstehen. Sie waren jedoch auf stark vereinfachte Lösungsmittelströme beschränkt und haben nur begrenzte Einblicke in das reale Systemverhalten.
Die neue Entdeckung der Liverpooler Chemiker Professor Roman Boulatov und Dr. Robert O'Neill hat wichtige wissenschaftliche Implikationen für mehrere Bereiche der physikalischen Wissenschaften sowie praktische Implikationen für die rheologische Kontrolle auf Polymerbasis, die in vielen Industrieprozessen im Wert von mehreren Millionen Dollar wie der verbesserten Öl- und Gasförderung, Fernpipelines und der Photovoltaikherstellung eingesetzt wird.
Professor Roman Boulatov sagte: „Unsere Entdeckung löst ein grundlegendes technisches Problem in der Polymerwissenschaft und hat das Potenzial, unser derzeitiges Verständnis des Kettenverhaltens in kavitierenden Lösungsmittelströmen auf den Kopf zu stellen.“
Dr. Robert O'Neill, Co-Autor des Papiers, fügte hinzu: „Unsere methodische Demonstration zeigt, dass unser Verständnis darüber, wie Polymerketten auf plötzliche Beschleunigungen des Lösungsmittelflusses in kavitierten Lösungen reagieren, zu einfach ist, um das systematische Design neuer Polymerstrukturen und -zusammensetzungen zu unterstützen, um in diesem Zusammenhang eine effiziente, kostengünstige rheologische Kontrolle zu erreichen, oder um grundlegende molekulare Erkenntnisse über die strömungsinduzierte Mechanochemie zu erhalten. Unser Papier hat wichtige Implikationen für unsere Fähigkeit, Nichtgleichgewichts-Polymerkettendynamik auf molekularer Länge zu untersuchen.“ Maßstab, der es uns ermöglicht, grundlegende Fragen darüber zu beantworten, wie Energie zwischen und innerhalb von Molekülen fließt und wie Energie von kinetischer Energie in potentielle Energie und zurück in freie Energie umgewandelt wird.“
Das Team plant, sich darauf zu konzentrieren, den Umfang und die Fähigkeiten ihrer neuen Methode zu erweitern und sie zur Abbildung der Physik auf molekularer Ebene zu nutzen, um das Fließverhalten für jede Kombination aus Polymer, Lösungsmittel und Fließbedingungen genau vorherzusagen.