对破碎聚合物的分解

超长聚合物广泛应用于高性能应用领域，包括节能润滑油、能源生产工作流体和高性能塑料。然而，它们也经常因为极端的流动和机械过程而退化，这些过程破坏了沿着聚合物链“脊”的化学键。

机油在你的汽车是一个很好的例子,解释了马修·Helgeson副教授加州大学圣芭芭拉分校的化学工程:“聚合物添加剂设计控制油的粘度和维持其承载特性,但如果聚合物降解太严重,石油失去其有效性,导致贫困的燃油效率和增加发动机磨损。”

为了应对这种退化和由此导致的性能下降，工程师们设计了复杂的聚合物形状，包括分枝或星形结构，这些形状比直链聚合物更不容易受到流动环境中遇到的破坏性剪切力的影响。

长期以来，研究人员不得不依靠间接实验来了解极端剪切下分子几何形状对聚合物变形和降解的影响;在它们遭受极端流动的情况下，还不存在对它们进行定性的方法。相反，这些特性只能从停止流动和降解物质收集后所做的测量中推断出来。

但是现在,一个新的800000美元的赠款从美国能源部(DOE), Helgeson和合作者在纽约伦斯勒理工学院和国家标准与技术研究所的寻求利用新实验和分子模拟扩大理解聚合物的性能在极端流动。具体来说，他们试图了解聚合物的拓扑结构(形状和结构)是如何在非常高的剪切速率下影响聚合物变形的，以及变形是如何导致沿聚合物主链的化学键断裂的。

该项目将把小角度中子散射(SANS)原位测量与分子模拟和散射模型相结合，使观测和发展聚合物单分子在极端剪切速率下的变形理论成为可能，这是以前从实验中无法实现的。这一发现将应用于拓扑结构复杂的聚合物家族，合成控制被用于理解聚合物上分支的类型和程度如何影响极端剪切下分子变形和张力的分布。

这项研究需要计算机模拟(由Patrick Underhill教授的研究小组在Renssalaer进行)和新的实验仪器(由Helgeson的小组制作)，这些仪器可以使聚合物承受非常大的剪切速率，然后在流动过程中测量原位产生的变形和断裂。UCSB团队将把这种创新方法与先进的合成能力结合起来，以工程一致的分子，了解其独特的几何形状在其流动行为中所起的作用。

“新的毛细管rheo-SANS设备我们一直致力于在NIST与合作者可以放置一个中子束的流动三个或四个数量级比是可能的与现有设备,提供前所未有的信息分子如何变得扭曲和变形的流,“Helgeson说。该装置包括一个能获得极高流速的大功率泵，它连接到一个由材料制成的狭长管圈上，其尺寸经过精心选择，以允许用于中子散射测量的光束。

昂德希尔说:“我认为这些新的实验可以真正帮助我们理解作用在复杂形状聚合物上的力是如何影响其断裂的。”“在模拟中，我们计算了分子不同部分的张力。假设是，如果我们有一个星形聚合物，例如，不同的分支臂分配张力更好，如果它只是一个直聚合物。”

Helgeson,获得2020年科学从美国中子散射学会相关工作,指出,尽管实验和模拟在这个项目将发生在平行,一些实验将“基准”研究建立正确的是什么参数的模拟。

他说:“这些研究的目标是为我们‘知道’答案的材料获得定量一致，这样模拟就可以用来预测行为或观察在实验中无法观察到的事情。”

最终，这些研究将为工程聚合物提高机械稳定性提供指导，或者反过来，为定向材料性能和应用的聚合物的机械降解提供指导。此外，在这个项目中开发的新中子散射工具将提供给NIST和其他中子设施的其他用户，潜在地扩大了在极端流动的科学突破的潜力，以其他材料和工程挑战。

NIST中子研究中心的束线科学家Katie Weigandt说:“我们预计，毛细管rheo-SANS将能够在极端剪切速率下获得前所未有的结构信息。”“这些信息对于基础学术研究和整个制药、特种化学和石油工业的工业应用都非常重要。”