"Szerintem a különbözô anyagok elôállítása és feldolgozása a közeljövôben az amerikai gazdaság hajtómotorjává válhat, és ehhez az ilyen kutatások szolgáltatják majd a kellô hátteret."
Az eldobható tollak szára, a kevlar a golyóálló mellényekben, a gumiabroncs, a számítógép háza, a nylon – a harisnyától a hátizsákig mindenben: polimer. Ezek a hosszú láncú molekulák a harmincas évek, azaz elsô szintézisük óta az élet majd' minden területére behatoltak.
A mûanyagokból készült cikkek gyártásakor általában folyadékokkal kell dolgozni; a polimert egy meghatározott alakú és méretû öntôformába kell önteni. Ahhoz, hogy az elôállított termék megfelelô minôségû legyen, fontos, hogy ismerjük a polimerek áramlás közbeni viselkedését. Az utóbbi években Gary Leal és kollegái, a Kaliforniai Egyetem (Santa Barbara) kutatói épp ezen dolgoznak; a már meglevô kísérleti adatokat a Pittsburgh Supercomputing Centerben végzett számítások eredményeivel egészítik ki.
Az egyensúlyi állapotban – azaz akkor, amikor nincsenek kitéve a feldolgozás közben fellépô mechanikai feszültségeknek – sok polimer hajlamos arra, hogy felcsavarodott alakot vegyen fel. Más polimerek merev rúdszerûek maradnak, de a rudaknak nem lesz semmi különleges irányuk, azaz össze-vissza állnak. Azonban áramlás közben a felcsavarodott molekulák kiegyenesednek. Jusson eszünkbe egy adag spagetti, amint a tálból a tányérunkra hull. A polimer molekulák – mint a spagetti-szálak – megnyúlhatnak, és az is meglehet, hogy kevésbé lesznek összegabalyodva, mint korábban voltak. Ha az összes molekula egy irányban van megnyújtva, akkor a köztük levô kölcsönhatások megváltoznak. Ezek a változások, amelyek akkor lépnek fel, amikor a polimer olvadékot feldolgozzák, a végtermék egyes tulajdonságait is meghatározzák.
A polimer áramlással foglakozó kutatások csak most jutottak el odáig, hogy a gyártási folyamatban elôforduló bonyolult geometriákat is vizsgálni tudják. "Például ha egy abroncsgyártó cég meg akarja változtatni a gyártandó gumik profilját, nincs rá semmi módszerük, hogy megjósolják ehhez a sajtolóforma alakját. A náluk dolgozó profi formakészítôk persze pár próbálkozás után eltalálják a megfelelô alakot. Igaz, hogy ez a próbálgatás több tízezer dollárba is belekerülhet. Ellenben ha számítógép segítségével meg tudnák tervezni a prototípust, akkor így csökkennének a költségek." – mondja Leal.
Napjainkban a kutatások két okból is változnak. Részint azért, mert a kísérleti módszerek már annyira fejlettek, hogy azt is meg lehet vizsgálni, mi történik molekuláris szinten. Részint azért, mert olyan számítási módszereket dolgoztak ki, amelyek képesek arra, hogy leírják az áramló polimerek tulajdonságait. "Szerintem a különbözô anyagok elôállítása és feldolgozása a közeljövôben az amerikai gazdaság hajtómotorjává válhat, és ehhez az ilyen kutatások szolgáltatják majd a kellô hátteret" – mondja Leal.
Leal a polimer áramlás egy olyan modelljét dolgozta ki, amely a kísérlet eredményekkel ténylegesen összehasonlítható eredményeket produkál. Az eddigi összehasonlítások modelljének helyességét mutatták.
Ezek az ábrák egy szimuláció eredményeit mutatják, amelyben a polimer két egymást keresztezô résben áramlik. A híg polimeroldat a vízszintes csatorna mindkét végén egyszerre lép be. A két folyadéksugár a középpontban találkozik, ahol álló áramlási képet hoznak létre. Itt összekeverednek, majd a folyadék a két keresztirányú csatornán (függôleges tengely) távozik. A fekete vonalak az áramlási vonalakat jelzik. A függõleges színes sáv (jobbra) a középütt kialakuló álló áramlási képet mutatja.
A középpontból kiinduló színek azt jelzik, hogy a polimer mennyire van megfeszítve az egyensúlyi állapothoz képest. A polimer megfeszítetlenül lép be, és csak a középpont közelében kezd el kifeszülni. Mivel a relaxációhoz idô kell, az áramló polimer a kilépô csatorna egy részében is megfeszített állapotban van. Ebben az ún. dumbbell (azaz súlyzó) modellben – amelyet eredetileg Hinch és DeGennes dolgozott ki – a maximális kifeszülés 300 (ez a hossz négyzetének mértékegység nélküli jelzôszáma), míg egyensúlyban ez az érték 2. Így a középpontban a polimer szinte maximálisan kifeszül.
"A sebességgradiens megközelítôleg állandó a középpontban. A maximális kiterjedés a bemenô áramlás tengelyében következik be a középpont után, ami azt jelzi, hogy a polimer alakját az határozza meg, mennyit tartózkodik ebben az állandó sebességgradiensû tartományban. Más szóval a polimer alakja inkább attól függ, hogy a molekula mekkora összfeszültségnek volt kitéve, nem pedig a megfeszítés sebességétôl."
[ Vissza a válogatás listájára ]