O Departamento de Química da Universidade de Liverpool foi pioneiro em um método para entender melhor como as cadeias poliméricas reagem às mudanças nos fluxos de solventes, fornecendo informações valiosas para a ciência e indústrias como recuperação de petróleo e energia fotovoltaica. Novas pesquisas são um avanço importante na ciência dos polímeros.
Num artigo publicado recentemente na capa da revista Nature Chemistry, investigadores em Liverpool usaram a mecanoquímica para descrever como as cadeias poliméricas em solução respondem a acelerações repentinas no fluxo do solvente circundante. O novo método finalmente fornece uma resposta a uma questão técnica fundamental que tem intrigado os cientistas de polímeros nos últimos 50 anos.
A fragmentação de solutos macromoleculares em fluxos rápidos tem um significado fundamental e prático muito importante. A sequência de eventos moleculares que precedem a quebra da cadeia é pouco compreendida porque tais eventos não podem ser observados diretamente, mas devem ser inferidos a partir de alterações na composição da solução que flui. Aqui, descrevemos como a geometria molecular de cadeias submetidas a reações mecanoquímicas em soluções sonicadas pode ser descrita detalhadamente analisando a competição de co-cadeias entre a cisão das cadeias de poliestireno e a isomerização dos cromóforos incorporados em suas estruturas. Nas experiências mais recentes, segmentos sobrecarregados (carregados mecanicamente) crescem e flutuam ao longo da espinha dorsal na mesma escala de tempo e em competição com as reações mecanoquímicas. Portanto, menos de 30% da espinha dorsal da cadeia fragmentada está sobrecarregada, e a força máxima e a probabilidade máxima de reação estão localizadas longe do centro da cadeia. Portanto, quantificar a competição intracadeia pode ser de importância mecanicista para qualquer fluxo que seja rápido o suficiente para causar a cisão da cadeia polimérica.
Desafios e impactos históricos
Desde a década de 1980, os pesquisadores têm tentado compreender a resposta única das cadeias poliméricas dissolvidas a fluxos de solventes repentinamente acelerados. No entanto, eles foram limitados a fluxos de solventes altamente simplificados e têm insights limitados sobre o comportamento do sistema no mundo real.
A nova descoberta dos químicos de Liverpool, Professor Roman Boulatov e Dr. Robert O'Neill, tem implicações científicas importantes para múltiplas áreas das ciências físicas, bem como implicações práticas para o controle de reologia baseado em polímeros usados em muitos processos industriais multimilionários, como recuperação aprimorada de petróleo e gás, dutos de longa distância e fabricação fotovoltaica.
O professor Roman Boulatov disse:"Nossa descoberta resolve um problema técnico fundamental na ciência dos polímeros e tem o potencial de derrubar nossa compreensão atual do comportamento da cadeia em fluxos de solventes em cavitação."
Robert O'Neill, coautor do artigo, acrescentou: "Nossa demonstração metodológica revela que nossa compreensão de como as cadeias poliméricas respondem a acelerações repentinas do fluxo de solvente em soluções cavitadas é muito simplista para apoiar o projeto sistemático de novas estruturas e composições poliméricas para alcançar um controle reológico eficiente e econômico neste contexto, nem para obter insights moleculares fundamentais sobre a mecanoquímica induzida por fluxo. Nosso artigo tem implicações importantes para nossa capacidade de estudar a dinâmica da cadeia polimérica fora do equilíbrio na escala de comprimento molecular, permitindo-nos responder questões fundamentais sobre como a energia flui entre e dentro das moléculas, e como a energia é convertida de energia cinética em energia potencial e de volta em energia livre."
A equipe planeja se concentrar na expansão do escopo e das capacidades de seu novo método e em usá-lo para mapear a física em escala molecular para prever com precisão o comportamento do fluxo para qualquer combinação de polímero, solvente e condições de fluxo.