El Departamento de Química de la Universidad de Liverpool ha sido pionero en un método para comprender mejor cómo reaccionan las cadenas de polímeros en los flujos cambiantes de disolventes, proporcionando conocimientos valiosos para la ciencia y las industrias como la recuperación de petróleo y la energía fotovoltaica. Una nueva investigación supone un avance importante en la ciencia de los polímeros.
En un artículo publicado recientemente en la portada de la revista Nature Chemistry, investigadores de Liverpool utilizaron la mecanoquímica para describir cómo las cadenas de polímeros en solución responden a aceleraciones repentinas en el flujo del solvente circundante. El nuevo método finalmente proporciona una respuesta a una pregunta técnica fundamental que ha desconcertado a los científicos de polímeros durante los últimos 50 años.
La fragmentación de solutos macromoleculares en flujos rápidos tiene una importancia fundamental y práctica muy importante. La secuencia de eventos moleculares que preceden a la rotura de la cadena no se comprende bien porque dichos eventos no pueden observarse directamente sino que deben inferirse de los cambios en la composición general de la solución que fluye. Aquí, describimos cómo la geometría molecular de las cadenas que experimentan reacciones mecanoquímicas en soluciones sonicadas se puede describir en detalle analizando la competencia de cocadena entre la escisión de las cadenas de poliestireno y la isomerización de los cromóforos incrustados en sus cadenas principales. En los últimos experimentos, los segmentos sobrecargados (cargados mecánicamente) crecen y se desplazan a lo largo de la columna vertebral en la misma escala de tiempo que las reacciones mecanoquímicas y en competencia con ellas. Por lo tanto, menos del 30% de la columna vertebral de la cadena fragmentada está demasiado estirada y la fuerza máxima y la probabilidad de reacción máxima se encuentran lejos del centro de la cadena. Por lo tanto, cuantificar la competencia intracadena puede tener importancia mecanística para cualquier flujo que sea lo suficientemente rápido como para provocar la escisión de la cadena polimérica.
Retos e impactos históricos
Desde la década de 1980, los investigadores han tratado de comprender la respuesta única de las cadenas de polímeros disueltas a los flujos de solventes repentinamente acelerados. Sin embargo, se han limitado a flujos de disolventes muy simplificados y tienen conocimientos limitados sobre el comportamiento del sistema en el mundo real.
El nuevo descubrimiento realizado por los químicos de Liverpool, el profesor Roman Boulatov y el Dr. Robert O'Neill, tiene importantes implicaciones científicas para múltiples áreas de las ciencias físicas, así como implicaciones prácticas para el control de la reología basada en polímeros utilizados en muchos procesos industriales multimillonarios, como la recuperación mejorada de petróleo y gas, oleoductos de larga distancia y fabricación fotovoltaica.
El profesor Roman Boulatov dijo: "Nuestro descubrimiento resuelve un problema técnico fundamental en la ciencia de los polímeros y tiene el potencial de revertir nuestra comprensión actual del comportamiento de la cadena en corrientes de disolventes cavitantes".
El Dr. Robert O'Neill, coautor del artículo, agregó: "Nuestra demostración metodológica revela que nuestra comprensión de cómo las cadenas de polímeros responden a aceleraciones repentinas del flujo de solventes en soluciones cavitadas es demasiado simplista para respaldar el diseño sistemático de nuevas estructuras y composiciones de polímeros para lograr un control reológico eficiente y rentable en este contexto, ni para obtener conocimientos moleculares fundamentales sobre la mecanoquímica inducida por flujo. Nuestro artículo tiene implicaciones importantes para nuestra capacidad de estudiar la dinámica de las cadenas de polímeros en desequilibrio en la escala de longitud molecular, lo que permite "Nos permite responder preguntas fundamentales sobre cómo fluye la energía entre y dentro de las moléculas, y cómo la energía se convierte de energía cinética a energía potencial y nuevamente a energía libre".
El equipo planea centrarse en ampliar el alcance y las capacidades de su nuevo método y utilizarlo para mapear la física a escala molecular para predecir con precisión el comportamiento del flujo para cualquier combinación de polímero, solvente y condiciones de flujo.