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Analisi dettagliate della degradazione dei polimeri

Un metodo innovativo, messo a punto dai ricercatori del dipartimento di Chimica dell’Università della California a Santa Barbara (UCSB), promette un’analisi più approfondita della degradazione dei polimeri in presenza di sollecitazioni di taglio elevate.

In applicazioni specifiche quali lubrificanti a elevata efficienza energetica, fluidi di processo per la produzione di energia e materie plastiche ad alte prestazioni, vengono ampiamente utilizzati polimeri a catene particolarmente lunghe. Questi, tuttavia, subiscono fenomeni di degradazione dei polimeri causati da flussi e processi meccanici estremamente potenti, che spezzano i legami chimici lungo la “spina dorsale” della catena polimerica.

L’olio che circola nel motore della nostra automobile è un buon esempio di questo fenomeno, spiega Matthew Helgeson, docente associato di ingegneria chimica presso l’Università della California a Santa Barbara (UCSB): “Gli additivi polimerici sono concepiti per controllare la viscosità dell’olio e mantenere le sue caratteristiche di resistenza, ma se il polimero subisce una degradazione eccessiva, l’olio perde efficacia, riducendo l’efficienza del carburante e incrementando l’usura a carico del motore”.

Al fine di contrastare questa degradazione dei polimeri e i conseguenti effetti negativi in termini di prestazioni, gli ingegneri hanno elaborato forme polimeriche complesse, quali ad esempio architetture ramificate o a stella, meno soggette delle catene polimeriche lineari alle dannose sollecitazioni di taglio che si possono incontrare in ambienti fluidi.

Per lungo tempo, i ricercatori hanno dovuto avvalersi di esperimenti indiretti per poter comprendere gli effetti della geometria molecolare sulla deformazione e degradazione dei polimeri in presenza di sollecitazioni di taglio estreme. Tali caratteristiche, infatti, potevano essere dedotte soltanto sulla base di misurazioni effettuate dopo aver fermato il flusso e raccolto il materiale degradato.

Misurazioni mediante scattering di neutroni

Ora, invece, grazie a una nuova borsa di studio da 800.000 dollari concessa dal Dipartimento dell’energia (Department of Energy, DOE) statunitense, Helgeson e i suoi collaboratori del Politecnico Rensselaer di New York e del National Institute of Standards and Technology (NIST) possono cercare di comprendere come la topologia (forma e struttura) del polimero influisca sulla sua deformazione a velocità di taglio molto elevate, e in che modo tale deformazione determini la rottura dei legami chimici lungo la catena polimerica.

Il progetto prevederà la combinazione in loco di misurazioni mediante scattering di neutroni a basso angolo (Small-Angle Neutron Scattering, SANS) con simulazioni molecolari e modelli di scattering: ciò consentirà di osservare ed elaborare teorie sulla deformazione delle singole molecole del polimero a velocità di taglio estremamente elevate, traguardo impossibile da conseguire in passato con gli esperimenti tradizionali. I dati ottenuti verranno applicati a famiglie di polimeri dalla topologia complessa, utilizzando il controllo sintetico per comprendere come il tipo e il grado di ramificazione di un polimero influisca sulla distribuzione della deformazione e tensione molecolare in presenza di sollecitazioni di taglio estreme.

Simulazioni e strumenti sperimentali

La ricerca richiederà sia simulazioni al computer, che verranno effettuate presso il Renssalaer dal gruppo di ricerca del professor Patrick Underhill, che strumenti sperimentali innovativi, creati dal gruppo di Helgeson, in grado di sottoporre i polimeri a velocità di taglio elevatissime e, quindi, misurare la conseguente deformazione e rottura sul momento, durante il flusso. Il team della UCSB combinerà questo approccio innovativo con funzionalità sintetiche avanzate, utilizzate per sviluppare molecole coerenti, per comprendere il ruolo che la loro geometria unica svolge nel loro comportamento reologico.

“L’innovativo sistema rheo-SANS capillare a cui stiamo lavorando insieme ai nostri collaboratori del NIST consente di posizionare un fascio di neutroni in flussi tre o quattro volte più intensi rispetto a quanto possibile con i dispositivi attualmente esistenti; ciò ci fornisce informazioni inedite riguardo al modo in cui le molecole vengono distorte e deformate dal flusso”, spiega Helgeson.

Il sistema integra una pompa ad alta potenza, in grado di generare portate estremamente elevate, collegata a una lunga bobina di stretti tubi, fabbricati con materiali e dimensioni attentamente selezionati per consentire l’impiego dei fasci utilizzati per le misurazioni mediante scattering di neutroni.

Comprendere le forze che agiscono nella degradazione dei polimeri

“Credo che questi nuovi esperimenti potranno davvero aiutarci a comprendere il meccanismo con cui le forze che agiscono sui polimeri di forma complessa influiscano sulla loro rottura”, afferma Underhill. “Nelle simulazioni, calcoliamo gli sforzi di tensione a carico delle varie parti della molecola. La nostra ipotesi è che, se abbiamo un polimero a forma di stella, per esempio, le punte della stella distribuiranno la tensione meglio di un semplice polimero lineare”.

Helgeson, che è stato premiato dalla Neutron Scattering Society of America con il Science Price 2020 per il lavoro svolto, specifica che il progetto vedrà svolgersi in parallelo esperimenti e simulazioni, e che alcuni di quegli esperimenti verranno utilizzati come studi di riferimento (benchmark) per stabilire quali siano i parametri corretti per alcune simulazioni.

“L’obiettivo di questi studi consiste nel raggiungere un accordo quantitativo per un determinato materiale, che ci consenta di “conoscere” la risposta, affinché sia possibile utilizzare una simulazione per prevederne il comportamento e osservare aspetti che non si possono analizzare durante gli esperimenti”, spiega.

Nuove linee guida per i tecnopolimeri

In ultima istanza, questi studi forniranno una serie di linee guida per i tecnopolimeri, che consentiranno di potenziarne la stabilità meccanica o, al contrario, di elaborare flussi che determinino la degradazione dei polimeri in modo tale da ottenere proprietà mirate e materiali per applicazioni specifiche. Inoltre, i nuovi strumenti per scattering di neutroni concepiti sulla base di questo progetto verranno messi a disposizione di altri utilizzatori presso il NIST e altri impianti a neutroni, aprendo le porte a una possibile espansione delle potenzialità di questa tecnologia rivoluzionaria in presenza di flussi estremi anche ad altri materiali e sfide ingegneristiche.

“Prevediamo che il sistema rheo-SANS capillare offrirà un accesso senza precedenti a informazioni in presenza di velocità di taglio estreme”, afferma Katie Weigandt, beamline scientist presso il NIST Center for Neutron Research. “Tali informazioni sono essenziali per applicazioni di ricerca accademica e industriale di importanza fondamentale in ambito farmaceutico, delle specialità chimiche, e petrolifero, per citare solo qualche esempio”.

a cura di James Badham