Kollektiv adskillelse af sammenfiltrede polymerer

LMU-forskere har modbevist den konventionelle teori, der bruges til at forklare dynamikken i polymerløsninger. De viser, at for biopolymerer fremmer kollektive effekter kædemobilitet, som minder om glaslignende materialers opførsel.

Hvad gør silketråde, har plastik og DNA til fælles? De består alle af polymere bestanddele og er repræsentative for det, forskere kalder 'blødt stof'. I modsætning til hårdt kondenseret stof, disse materialer er iboende fleksible ('bløde'), men kan ikke desto mindre danne stabile strukturer under omgivende forhold. Derfor, blødt stof kan ikke entydigt klassificeres som hverken fast eller flydende, fordi dens materialeegenskaber er meget følsomme over for miljøparametre. - Ændringer i temperatur kan have en markant effekt på deres modtagelighed for deformation, for eksempel. Ja, deres strukturelle dynamik er nøglen til deres adfærd og den væsentligste determinant for deres funktioner og anvendelser. I en ny undersøgelse, LMU-fysikere Professor Erwin Frey og Dr. Philipp Lang har tilbagevist den konventionelle teori, der hidtil er blevet brugt til at redegøre for polymeropløsningers rheologiske karakteristika (dvs. deres reaktion på ydre mekaniske belastninger). og udviklet en alternativ model. Den nye undersøgelse vises i online-tidsskriftet Naturkommunikation .

Frey og Lang fokuserede på dynamikken i semi-fleksible til stive polymerer - gruppen, som biopolymerer, herunder DNA, eller aktinfilamenter og mikrotubuli, der er en hovedkomponent i cytoskelettet, hører til. Alle polymerer er opbygget af gentagne underenheder, der er bundet sammen for at danne lange makromolekylære kæder. I løsning, disse makromolekyler er indviklet indviklet i hinanden, ligesom fibrene i klumper af fnug. I 1970'erne, en model blev udviklet til at beskrive deres dynamik. I denne gentagelsesmodel, hvert polymermolekyle anses for at være indespærret i et fleksibelt rør, hvorigennem det bevæger sig på en bølgende måde, som den ordsprogede slange i græsset (deraf navnet). Væggene i disse rør er selv defineret af alle de andre polymermolekyler i mediet. På denne måde modellen fanger, hvordan mobiliteten af ​​hvert enkelt makromolekyle er begrænset af den rumlige fordeling af alle de andre. I dette billede, den eneste måde at løsrive en sådan rede af hugorme er at trække individuelle fibre ud af deres afgrænsede rør, fordi bevægelse ortogonalt i forhold til rørvæggene ikke er mulig.

"Vores omfattende computersimuleringer, imidlertid, foreslå en meget anden type polymerdynamik for biopolymerer, " siger Frey. "Vi observerer ikke indviklede bevægelser af individuelle polymerer. I stedet, finder vi relativt hurtigt, kollektiv reorganisering af rørene, hvilket resulterer i adskillelse af polymerkæder." Ifølge forfatterne, dynamikken minder om glaslignende materialer. Denne form for adfærd er ikke baseret på de uafhængige bevægelser af individuelle polymermolekyler, men stammer fra interaktioner mellem polymerer på meget større skalaer. Dette fører til kollektiv bevægelse af alle polymerkæder i et lokalt kvarter, sådan at hele virvaret begynder at sortere sig selv, sammenfiltrede kæder optrevles, den tætte kugle løsner sig, og nye stier gennem labyrinten skabes.

"Vi har udviklet et nyt teoretisk koncept, der kan redegøre for den kollektive dynamik og gengive de opnåede resultater i vores simuleringer, "siger Frey." Vores fund vil fundamentalt ændre nuværende antagelser om relevansen af ​​kollektive effekter, ikke kun i biopolymerløsninger, men potentielt også i andre soft-matter-systemer. "De teoretiske forudsigelser fra den nye model burde være ret lette at teste eksperimentelt i systemer, der involverer enten biopolymerer eller kulstofnanorør. Lang og Frey har allerede vist, at de data, der stammer fra deres simuleringer, er i fuldstændig overensstemmelse med resultaterne af en undersøgelse af kulstofnanorør udgivet af en hollandsk-amerikansk forskergruppe.