Nous pensons rarement à la façon dont les liquides s'écoulent – pourquoi le miel est épais, l'eau est mince ou comment le plastique fondu se déplace à travers les machines. Mais pour les scientifiques et les ingénieurs, la compréhension et la prévision de la viscosité des matériaux, en particulier les polymères, est essentielle.
La viscosité régit la façon dont les substances se déforment et s'écoulent sous le stress, ce qui affecte à son tour la façon dont ils sont traités, comment ils se comportent dans les pipelines industriels, dans les milieux environnementaux ou dans les produits de consommation, et comment ils réagissent aux températures changeantes.
Traditionnellement, pour calculer la viscosité d'une fonte liquide ou polymère basée sur des simulations moléculaires sur des ordinateurs, les gens s'appuient sur une méthode appelée le formalisme vert – kubo. Il fonctionne en suivant la façon dont les contraintes internes fluctuent et se décomposent dans le temps à l'intérieur d'un matériau simulé à l'équilibre thermodynamique.
Cette approche est largement utilisée dans les simulations de dynamique moléculaire et est bien établie à des températures élevées, où tout est fluide et détendu et l'équilibre thermodynamique est une bonne hypothèse.
Mais alors que nous refroidissons ces systèmes vers la transition dite du verre – un point où le matériau commence à se comporter davantage comme un solide – des choses commencent à devenir désordonnées. Les molécules se déplacent mal. Les corrélations de stress mettent beaucoup de temps à se décomposer. Les simulations traînent pendant des temps irréalistes et la méthode verte – kubo commence à échouer. Nous nous retrouvons avec l'incertitude où la physique devient la plus intéressante.
Cela m'a motivé à emprunter un chemin différent – celui qui ne comptez pas sur l'attente d'un système pour se détendre. Au lieu de cela, j'ai décidé d'écouter comment le matériau vibre. En particulier, j'ai publié un article en 2023 qui a établi une nouvelle relation mathématique entre la viscosité et le spectre de vibration des atomes et des molécules dans un matériau.
Avec mes collaborateurs Ankit Singh et Vinay Vaibhav à l'Université de Milan, et avec Tim Sirk au US Army Research Laboratory, dans un article qui vient d'être publié dans le Journal of Chemical PhysicsJ'ai introduit une nouvelle méthode atomistique pour calculer la viscosité qui s'appuie sur ce cadre théorique 2023.
Cette œuvre antérieure, publiée dans Revue physique Ea montré comment l'écoulement et l'élasticité des liquides et des solides désordonnés – comme les lunettes et les polymères – peuvent être compris à travers quelque chose appelé dynamique du réseau non affine, ou Nald. Il décrit comment les atomes et les molécules s'écartent des mouvements idéaux et uniformes lorsque le matériau est déformé. Ces mouvements non affines sont la caractéristique du trouble, et ils s'avèrent cruciaux pour déterminer comment les matériaux résistent au flux.
Dans cette nouvelle étude, nous avons pris cette théorie et l'avons appliquée à des simulations atomistiques réelles de polymères. Plus précisément, nous avons utilisé le modèle Kremer – Grest le plus, une représentation bien connue et à grain grossier des chaînes de polymère. Nous avons ensuite calculé la façon dont les atomes vibrent autour de leurs positions d'équilibre – le spectre complet des modes vibrationnels.
De cela, en utilisant le formalisme NALD, nous avons pu calculer comment le matériau réagit au stress à différentes fréquences. Cela nous donne un spectre de modules de cisaillement – en outrement, une empreinte digitale de la façon dont le matériau est raide ou doux à plusieurs échelles de temps.
De l'extrémité basse fréquence de ce spectre, nous avons extrait la viscosité. Ce qui est remarquable, c'est que cette approche fonctionne jusqu'à des températures près de la transition du verre, où les méthodes traditionnelles deviennent peu fiables. En fait, l'information vibrationnelle code tout ce que nous devons savoir sur la façon dont le matériau coule, sans avoir besoin de simuler la relaxation de longue date.
Un autre résultat frappant est que tous les modes vibrationnels sont importants – pas seulement les doux. C'est tout le paysage du mouvement atomique, des jiggles locaux rapides aux mouvements collectifs plus lents, qui contribue à la viscosité. Cela offre un aperçu physique profond de ce qui fait un flux de matériau ou résister à l'écoulement.
Nous avons comparé nos prédictions contre les calculs conventionnels verts-kubo et également contre les simulations non équilibrées dans le régime à haute température où ces deux techniques sont encore fiables. L'accord était excellent dans une large plage de températures, sans paramètres réglables, mais notre méthode a maintenu sa précision et son efficacité même près de la transition du verre, où aucune autre méthode ne peut produire des résultats significatifs.
Cela a des implications majeures. D'une part, il ouvre la porte à une approche plus prédictive et physiquement ancrée pour comprendre la viscosité des fluides et de la matière douce. Il nous permet également de calculer les propriétés d'écoulement dans des régimes qui étaient auparavant inaccessibles – critiques pour la conception de matériaux qui doivent fonctionner dans des conditions extrêmes.
Et d'un point de vue fondamental, il nous donne une nouvelle façon de voir comment la structure et les mouvements à l'échelle atomique se traduisent en flux macroscopique. Il ouvre également des portes à la conception prédictive des matériaux et des polymères doux en fonction de leurs caractéristiques vibratoires et de nouveaux tests mécaniques non destructeurs basés sur la spectroscopie vibratoire.
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