كان قسم الكيمياء بجامعة ليفربول رائداً في طريقة لفهم كيفية تفاعل سلاسل البوليمرات في تغير تدفقات المذيبات بشكل أفضل، مما يوفر رؤى قيمة للعلوم والصناعات مثل استخراج النفط والخلايا الكهروضوئية. يعد البحث الجديد إنجازًا مهمًا في علوم البوليمر.
في بحث نُشر مؤخرًا على غلاف مجلة Nature Chemistry، استخدم الباحثون في ليفربول الكيمياء الميكانيكية لوصف كيفية استجابة سلاسل البوليمر في المحلول للتسارع المفاجئ في تدفق المذيبات المحيطة. توفر الطريقة الجديدة أخيرًا إجابة لسؤال تقني أساسي حير علماء البوليمر على مدار الخمسين عامًا الماضية.
إن تجزئة المواد المذابة الجزيئية في التدفقات السريعة له أهمية أساسية وعملية مهمة للغاية. إن تسلسل الأحداث الجزيئية التي تسبق كسر السلسلة غير مفهوم جيدًا لأنه لا يمكن ملاحظة مثل هذه الأحداث بشكل مباشر ولكن يجب استنتاجها من التغيرات في التركيبة السائبة للمحلول المتدفق. هنا، نوصف كيف يمكن وصف الهندسة الجزيئية للسلاسل التي تمر بتفاعلات كيميائية ميكانيكية في المحاليل الصوتية بالتفصيل من خلال تحليل منافسة السلسلة المشتركة بين انقسام سلاسل البوليسترين وإيزومرات الكروموفورات المضمنة في العمود الفقري لها. في أحدث التجارب، تنمو الأجزاء الممدودة (المحملة ميكانيكيًا) وتنجرف على طول العمود الفقري في نفس المقياس الزمني للتفاعلات الميكانيكية الكيميائية وفي منافستها. ولذلك، فإن أقل من 30% من العمود الفقري للسلسلة المجزأة يكون ممدودًا فوق طاقته، وتقع القوة القصوى والحد الأقصى لاحتمال التفاعل بعيدًا عن مركز السلسلة. لذلك، قد يكون لقياس المنافسة داخل السلسلة أهمية ميكانيكية لأي تدفق سريع بما يكفي للتسبب في انقسام سلسلة البوليمر.
التحديات والآثار التاريخية
منذ الثمانينيات، حاول الباحثون فهم الاستجابة الفريدة لسلاسل البوليمر المذابة لتدفقات المذيبات المتسارعة فجأة. ومع ذلك، فقد اقتصرت على تدفقات المذيبات المبسطة للغاية ولديها رؤى محدودة حول سلوك النظام في العالم الحقيقي.
إن الاكتشاف الجديد الذي توصل إليه الكيميائيان في ليفربول البروفيسور رومان بولاتوف والدكتور روبرت أونيل له آثار علمية مهمة في مجالات متعددة من العلوم الفيزيائية، بالإضافة إلى آثار عملية للتحكم في الريولوجيا القائمة على البوليمر المستخدمة في العديد من العمليات الصناعية التي تبلغ قيمتها ملايين الدولارات مثل الاستخلاص المعزز للنفط والغاز وخطوط الأنابيب لمسافات طويلة والتصنيع الكهروضوئي.
وقال البروفيسور رومان بولاتوف: "إن اكتشافنا يحل مشكلة تقنية أساسية في علم البوليمرات ولديه القدرة على قلب فهمنا الحالي لسلوك السلسلة في تكهف تيارات المذيبات".
وأضاف الدكتور روبرت أونيل، المؤلف المشارك في البحث: "يكشف العرض المنهجي لدينا أن فهمنا لكيفية استجابة سلاسل البوليمر للتسارع المفاجئ لتدفق المذيبات في المحاليل المتجوفة هو تبسيط للغاية لدعم التصميم المنهجي لهياكل وتركيبات البوليمر الجديدة لتحقيق تحكم ريولوجي فعال وفعال من حيث التكلفة في هذا السياق، ولا للحصول على رؤى جزيئية أساسية في الكيمياء الميكانيكية المستحثة بالتدفق. ورقتنا لها آثار مهمة على قدرتنا على دراسة ديناميكيات سلسلة البوليمر غير المتوازنة على مقياس الطول الجزيئي، مما يسمح لنا بالإجابة على الأسئلة الأساسية حول كيفية تدفق الطاقة بين الجزيئات وداخلها، وكيفية تحويل الطاقة من الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة والعودة إلى طاقة حرة.
يخطط الفريق للتركيز على توسيع نطاق وقدرات طريقتهم الجديدة واستخدامها لرسم خريطة للفيزياء الجزيئية للتنبؤ بدقة بسلوك التدفق لأي مجموعة من البوليمرات والمذيبات وظروف التدفق.