Sådan adskilles lineære og ringformede molekyler

Hvad er forskellen mellem lineære kæder og ringe sammensat af det samme materiale? De molekylære byggesten er identiske, men fra et matematisk synspunkt, de to strukturer har forskellige topologier, ring og lineær kæde. Denne forskel kan let genkendes på en makroskopisk skala, som, for eksempel, en gylden ring og en guldbarre, men repræsenterer en vanskelig opgave i mikroskopisk skala. Fysikerne Lisa Weiss og Christos Likos fra Wien-universitetet og Arash Nikoubashman fra Johannes-Gutenberg-universitetet i Mainz undersøgte strategier for at adskille nano- og mikropartikler med forskellig topologi. Deres resultater offentliggøres i tidsskriftet med stor effekt ACS makrobreve .

Den rent matematiske egenskab - lineær eller cirkulær - kan have alvorlige konsekvenser i materialernes verden. Da cirkulære molekyler mangler ender, der kan tjene som udgangspunkt for nedbrydning, de er mere modstandsdygtige og mindre sammenfiltrede. Naturen tjener på denne unikke egenskab af cirkulære molekyler for at øge DNA- og RNA -modstandskraft mod nedbrydning. Topologi spiller en rolle, når molekyler kommer ud af ligevægt:Lineære og ringmolekyler flyder forskelligt, ligesom deres blandinger.

Denne forskel i flow kan forklares ved hjælp af spaghetti som en analogi for lineære molekyler og omrøring af en gryde af dem som analogi til flow:Enkeltnudler forlænges i strømningsretning, selvom de stadig er viklet ind. Ved omrøring af ringformet pasta, den orienterer lettere i strømningsretningen sammenlignet med lineære spaghettistråde, og ringene er mindre sammenfiltrede, gør omrøring lettere.

Alligevel, at adskille en blanding af lineær og ringformet pasta i en gryde til to adskilte systemer med høj renhed er en udfordrende opgave, da de molekylære byggesten er nøjagtig de samme. Det er nødvendigt at sortere i hånden. En sådan proces er umulig i mikroskopisk skala; derfor, udviklingen af ​​nye materialer baseret på forskellige topologier hindres, ligesom analysen af ​​topologi i biologiske systemer. Derfor, vi har brug for nye og effektive separationsteknologier.

Forskere ved universitetet i Wien og Johannes-Gutenberg-universitetet i Mainz udviklede en automatiseret strategi for at adskille pålideligt cirkulære molekyler fra deres lineære modstykker. Ved hjælp af computersimuleringer, de beviste effektiviteten af ​​mikrofluidiske kanaler dekoreret med attraktive pletter. Disse pletter tiltrækker lige så stærkt de molekylære byggesten i lineære og ringmolekyler. Lisa Weiss fra Computational Physics Group ved University of Vienna forklarer, at lineære kæder er immobiliseret på disse pletter, hvorimod ringmolekyler kan rulle langs dem. Denne rullende bevægelse er kun mulig for topologier med lukkede konturlinjer. For at rense filteret for de fastklemte kæder, kanalen skylles med et ikke-opløsningsmiddel til kæderne, dvs. et opløsningsmiddel, hvor molekylerne ikke kan opløses - som, for eksempel, olie i vand. Derfor, kæder smuldrer og løsnes, og efterfølgende, strømmen fører kæderne af, og filteret er rent.