리버풀 대학의 화학과는 용매 흐름 변화에 폴리머 사슬이 어떻게 반응하는지 더 잘 이해하는 방법을 개척하여 석유 회수 및 광전지와 같은 과학 및 산업에 귀중한 통찰력을 제공했습니다. 새로운 연구는 고분자 과학의 중요한 돌파구입니다.
최근 Nature Chemistry 저널 표지에 게재된 논문에서 리버풀의 연구원들은 기계화학을 사용하여 용액 내 폴리머 사슬이 주변 용매 흐름의 갑작스러운 가속에 어떻게 반응하는지 설명했습니다. 새로운 방법은 마침내 지난 50년 동안 고분자 과학자들을 혼란스럽게 했던 근본적인 기술적 질문에 대한 답을 제공합니다.
빠른 흐름에서 거대분자 용질의 단편화는 매우 중요하고 근본적이고 실용적인 의미를 갖습니다. 사슬 파손 이전의 분자 현상의 순서는 이러한 현상을 직접적으로 관찰할 수 없고 흐르는 용액의 대량 구성 변화로부터 추론해야 하기 때문에 잘 이해되지 않습니다. 여기에서는 폴리스티렌 사슬의 절단과 백본에 내장된 발색단의 이성질화 사이의 공동 사슬 경쟁을 분석하여 초음파 처리된 용액에서 기계화학 반응을 겪는 사슬의 분자 기하학을 자세히 설명할 수 있는 방법을 설명합니다. 최근 실험에서 과도하게 늘어난(기계적으로 부하가 걸린) 세그먼트는 기계화학 반응과 경쟁하면서 동일한 시간 규모로 성장하고 백본을 따라 표류합니다. 따라서 조각난 사슬의 골격 중 30% 미만이 과도하게 늘어나 최대 힘과 최대 반작용 확률이 사슬 중심에서 멀리 떨어져 위치하게 된다. 따라서, 사슬 내 경쟁을 정량화하는 것은 폴리머 사슬 절단을 일으킬 만큼 빠른 모든 흐름에 대해 기계적 중요성을 가질 수 있습니다.
역사적 과제와 영향
1980년대부터 연구자들은 갑자기 가속된 용매 흐름에 대한 용해된 고분자 사슬의 독특한 반응을 이해하려고 노력해 왔습니다. 그러나 이는 매우 단순화된 용매 흐름으로 제한되어 있으며 실제 시스템 동작에 대한 통찰력이 제한되어 있습니다.
리버풀 화학자인 Roman Boulatov 교수와 Robert O'Neill 박사의 새로운 발견은 물리 과학의 여러 분야에 중요한 과학적 의미를 가질 뿐만 아니라 향상된 석유 및 가스 회수, 장거리 파이프라인 및 광전지 제조와 같은 수백만 달러 규모의 산업 공정에 사용되는 폴리머 기반 유변학 제어에 대한 실질적인 의미를 갖습니다.
Roman Boulatov 교수는 "우리의 발견은 고분자 과학의 근본적인 기술적 문제를 해결하고 공동화 용매 흐름의 사슬 거동에 대한 현재의 이해를 뒤집을 가능성이 있습니다"라고 말했습니다.
논문의 공동 저자인 Robert O'Neill 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. "우리의 방법론적 시연을 통해 공동화된 용액에서 고분자 사슬이 용매 흐름의 급격한 가속에 어떻게 반응하는지에 대한 우리의 이해가 너무 단순하여 이러한 맥락에서 효율적이고 비용 효과적인 유변학 제어를 달성하기 위한 새로운 고분자 구조 및 구성의 체계적 설계를 지원하거나 흐름 유도 기계화학에 대한 근본적인 분자 통찰력을 얻을 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 우리의 논문은 분자 길이 규모에서 비평형 고분자 사슬 역학을 연구하는 능력에 중요한 의미를 갖습니다. 분자 사이와 분자 내에서 에너지가 어떻게 흐르는지, 그리고 에너지가 어떻게 운동 에너지에서 위치 에너지로, 그리고 다시 자유 에너지로 변환되는지에 대한 근본적인 질문에 대답해야 합니다."
팀은 새로운 방법의 범위와 기능을 확장하고 이를 사용하여 분자 규모 물리학을 매핑하여 폴리머, 용매 및 흐름 조건의 모든 조합에 대한 흐름 동작을 정확하게 예측하는 데 집중할 계획입니다.