リバプール大学化学科は、変化する溶媒の流れの中でポリマー鎖がどのように反応するかをよりよく理解する方法を開拓し、石油回収や太陽光発電などの科学や産業に貴重な洞察を提供しました。新しい研究はポリマー科学における重要な進歩です。
Nature Chemistry誌の表紙に最近掲載された論文の中で、リバプールの研究者らは機械化学を用いて、溶液中のポリマー鎖が周囲の溶媒の流れの突然の加速にどのように反応するかを説明した。この新しい方法は、過去 50 年間ポリマー科学者を悩ませてきた基本的な技術的疑問についに答えを提供します。
速い流れにおける高分子溶質の断片化は、非常に重要な基本的かつ実用的な意味を持っています。鎖切断に先立つ一連の分子事象は、直接観察することができず、流れる溶液のバルク組成の変化から推測する必要があるため、ほとんど理解されていません。ここでは、ポリスチレン鎖の切断とその主鎖に埋め込まれた発色団の異性化の間の共鎖競合を分析することにより、超音波処理した溶液中でメカノケミカル反応を受ける鎖の分子構造をどのように詳細に記述することができるかを説明します。最新の実験では、過度に伸長された（機械的に負荷がかかった）セグメントが、メカノケミカル反応と競合して、同じ時間スケールで成長し、骨格に沿って漂流します。したがって、断片化された鎖の主鎖の 30% 未満が過度に伸長され、最大の力と最大の反応確率は鎖の中心から遠く離れた位置にあります。したがって、鎖内競合を定量化することは、ポリマー鎖の切断を引き起こすのに十分な速さの流れにとって機構的に重要である可能性があります。
歴史的な課題と影響
1980 年代以来、研究者たちは、突然加速された溶媒の流れに対する溶解したポリマー鎖の独特の反応を理解しようと努めてきました。ただし、これらは高度に単純化された溶媒の流れに限定されており、現実世界のシステムの動作についての洞察は限られています。
リバプールの化学者ローマン・ブーラトフ教授とロバート・オニール博士によるこの新たな発見は、物理科学の複数の分野に重要な科学的意義をもたらすだけでなく、石油やガスの回収強化、長距離パイプライン、太陽光発電の製造など、数百万ドル規模の多くの工業プロセスで使用されるポリマーベースのレオロジー制御にも実用的な意味をもたらす。
ローマン・ブラトフ教授は、「我々の発見は高分子科学における基本的な技術的問題を解決し、キャビテーションを起こす溶媒の流れにおける鎖の挙動についての現在の理解を覆す可能性を秘めている。」と述べた。
この論文の共著者であるロバート・オニール博士は、次のように付け加えた：「我々の方法論的実証は、ポリマー鎖がキャビテーションを起こした溶液中の溶媒流の急激な加速にどのように反応するかについての我々の理解が単純すぎることを明らかにしており、この文脈で効率的で費用対効果の高いレオロジー制御を達成するための新しいポリマー構造と組成の系統的な設計をサポートすることも、流れ誘起メカノケミストリーについての基本的な分子洞察を得るにもサポートできない。我々の論文は、非平衡ポリマー鎖を研究する我々の能力にとって重要な意味を持っている」これにより、エネルギーが分子間および分子内でどのように流れるか、エネルギーがどのように運動エネルギーから位置エネルギーに変換され、また自由エネルギーに戻るかについての基本的な疑問に答えることができます。」
チームは、新しい手法の範囲と機能を拡大し、それを分子スケールの物理学のマッピングに使用して、ポリマー、溶媒、流動条件のあらゆる組み合わせにおける流動挙動を正確に予測することに重点を置く予定です。