Les polymères : des molécules aux miracles de la fabrication

Les polymères sont des molécules de grande taille, formées par la liaison d’une série de blocs de construction identiques. Ils sont attrayants pour la fabrication car ils sont peu coûteux, faciles à traiter et à modifier. Pour élargir les applications des polymères et améliorer leur durabilité, les scientifiques ont besoin d’une meilleure compréhension de leurs dynamiques structurelles.

Les défis de la mesure des polymères

Les polymères, en tant que matériaux souples, subissent des conditions changeantes lors de la fabrication. Cela peut affecter leurs propriétés finales et leurs performances. Lorsque les polymères subissent des changements de phase (par exemple, de solide à liquide), leur réaction aux forces devient de plus en plus complexe et difficile à mesurer.

Dans ce travail, les chercheurs ont combiné la théorie et la modélisation computationnelle pour caractériser les polymères fondus dans des conditions d’écoulement constant. Ils ont découvert des caractéristiques universelles qui peuvent aider à la conception de matériaux polymères avancés.

Impact sur l’industrie manufacturière

Les polymères font progresser la fabrication, en particulier la fabrication additive ou l’impression 3D. Les entreprises peuvent utiliser ces matériaux souples, à faible coût et facilement traitables pour fabriquer de nombreuses pièces, outils et produits différents.

L’avancement des polymères pourrait permettre à l’industrie de fabriquer de manière efficace des produits de meilleure qualité avec des propriétés sur mesure et des formes et structures complexes. Cela élargirait l’utilisation des polymères dans des applications à haute performance telles que l’automobile et l’aérospatiale.

En synthèse

Les matériaux polymères, y compris le plastique et le caoutchouc, sont constitués de longues chaînes de molécules qui peuvent être déplacées en appliquant de l’énergie, comme le changement de température ou l’application d’une force externe.

Dans le matériau polymère en vrac, beaucoup de ces chaînes de polymères sont enchevêtrées et interagissent via un mouvement aléatoire, ou mouvement brownien, qui peut être directement lié à des propriétés observables. Par exemple, les pneus de voiture deviennent plus flexibles à des températures plus élevées et plus rigides par temps froid.

Lorsque les polymères sont fondus, ils s’écoulent, ce qui signifie que les chaînes moléculaires interagissent avec elles-mêmes et avec d’autres chaînes de molécules et sont également libres de se déplacer différemment dans différentes directions.

La théorie de la probabilité peut caractériser la physique des polymères dans un état d’équilibre, mais n’a pas été suffisante pour décrire les polymères sous un écoulement qui introduit une complexité mathématique supplémentaire.

Dans cette étude, les chercheurs ont introduit deux méthodes clés pour « emprunter » les dynamiques complexes de l’écoulement des polymères. Ils ont élargi le mouvement brownien avec des cadres de référence complémentaires pour aborder les mouvements de la chaîne de polymères unique par rapport à l’écoulement et ont utilisé une technique d’expansion harmonique sphérique pour résoudre le mouvement anisotrope.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un polymère ?

Un polymère est une molécule de grande taille qui est formée en liant une série de blocs de construction identiques. Ils sont attrayants pour la fabrication car ils sont peu coûteux, faciles à traiter et à modifier.

Pourquoi est-il important de comprendre les dynamiques structurelles des polymères ?

Pour élargir les applications des polymères et améliorer leur durabilité, les scientifiques ont besoin d’une meilleure compréhension de leurs dynamiques structurelles. Ces matériaux souples subissent des conditions changeantes lors de la fabrication, ce qui peut affecter leurs propriétés finales et leurs performances.

Quels sont les défis de la mesure des polymères ?

Comme les polymères subissent des changements de phase (par exemple, de solide à liquide), la façon dont ils réagissent aux forces devient de plus en plus complexe et difficile à mesurer.

Comment les chercheurs ont-ils abordé ce problème ?

Dans ce travail, les chercheurs ont combiné la théorie et la modélisation computationnelle pour caractériser les polymères fondus dans des conditions d’écoulement constant. Ils ont découvert des caractéristiques universelles qui peuvent aider à la conception de matériaux polymères avancés.

Quel est l’impact de ces découvertes sur l’industrie manufacturière ?

Les polymères font progresser la fabrication, en particulier la fabrication additive ou l’impression 3D. Les entreprises peuvent utiliser ces matériaux souples, à faible coût et facilement traitables pour fabriquer de nombreuses pièces, outils et produits différents. L’avancement des polymères pourrait permettre à l’industrie de fabriquer de manière efficace des produits de meilleure qualité avec des propriétés sur mesure et des formes et structures complexes.

Des modèles de chaînes moléculaires de polymères illustrent la dynamique changeante au cours de la fusion dans la fabrication. L’image de fond suggère les nombreuses configurations moléculaires possibles en raison du mouvement brownien dans le polymère lorsque les chaînes gagnent en liberté et se déforment. Credit: Courtesy of Oak Ridge National Laboratory

Article : « Fingerprinting Brownian Motions of Polymers under Flow » – https://www.osti.gov/pages/biblio/1879943