复杂流体的物理学：环形聚合物在剪切下展现出意想不到的运动模式

国际研究团队的计算结果引起了专家们的关注，他们对环形聚合物在剪切力下的行为进行了研究。研究发现，对于最简单的连接环对，化学键合和机械链接两种类型的连接方式对持续剪切下环聚合物的动态特性有着深远的影响，并产生了新颖的流变模式。这项研究最近被发表在《物理评论快报》上，并因其独特性而获得了编辑建议。

液体的剪切是指在剪切力下液体层之间的滑移，这是自然界和流变学（研究物质的流动行为，包括液体和软固体）中的重要概念。剪切力是作用在材料平行方向的横向力，引起材料的变形或滑移。液体剪切实验可以表征重要的流变学性质，如粘度（抗变形或流动的阻力）和流变性（在剪切作用下粘度的降低），这些性质在从工业过程到医药应用中都非常重要。最近几年已经进行了关于粘弹性流体的剪切行为的研究，这些流体是通过将聚合物引入牛顿流体中创建的。但是，当前研究的一个新颖方法是考虑聚合物拓扑结构，即使用环形聚合物。环形聚合物是由重复单位组成的大分子，形成闭环而没有自由端。

首席作者Reyhaneh Farimani解释说：“在我们的计算模拟实验中，我们考虑了两种类似的连接环对：一种是化学连接，称为化学键合环（BRs），另一种是机械连接，通过Hopf链连接的多缠环（PCs）。”特别强调了通过适当的模拟技术考虑流体动力学相互作用的重要性，这证明了它的关键性，因为新出现的模式受到了波动流体动力学和拓扑结构之间微妙的相互作用的影响。结果令人惊讶：一方面，BRs和PCs两种组分的响应彼此非常不同，另一方面，它们与其他各种聚合物类型（如线性、星形或支化）的响应明显不同。特别地，在其他聚合物在剪切作用下的主导动态模式（“涡度翻转”）在这些拓扑修饰的聚合物中要么被抑制（BRs），要么几乎不存在（PCs）。

合著者Christos Likos说：“我们发现了完全意想不到的动态模式，称为渐变翻滚和滑行翻滚。”由于流体动力学和环形拓扑之间的相互作用，BR分子围绕着垂直于涡度和流动轴的渐变方向连续翻滚。相反，PCs变得薄，靠近流动轴并且保持固定、拉伸和不翻滚的形态。而由于他们独特的机械连接形式，PCs表现出间歇性的动态，偶尔交换两个环，这种模式被论文的作者称为滑行翻滚。

这些意想不到的运动模式带有聚合物化合物拓扑结构的独特特征，突显了流体动力学和聚合物结构之间相互作用的重要性：事实上，研究人员在模拟实验中发现，当回流效应被人为消除时，BRs和PCs之间的差异消失。这些动态模式也对溶液的机械性能产生了明显影响，因为BRs通过翻滚释放内部应力，而PCs永久储存应力，导致后者具有更高的粘度。这导致了这样一个假设：PCs和BRs的不同翻滚运动和结构可能影响这些分子高浓度溶液或聚合物熔体的剪切粘度——流体在剪切下的阻力，反映了其内部摩擦和变形能力。需要进一步的实验和理论研究来验证这一假设。当前研究是由维也纳大学、伊朗的夏里夫科技大学和意大利国际高等研究学院（SISSA）之间的科学合作完成的。