Dansende stof:Ny form for bevægelse af cykliske makromolekyler opdaget

Polymerer er lange molekyler lavet af periodisk forbundne molekylære byggesten kaldet monomerer. Nogle polymerer forekommer naturligt i form af lukkede ringe - for eksempel som plasmider, cykliske DNA-strenge i bakterier, eller for tilstrækkeligt lange proteinkæder. Forestil dig at nedsænke sådanne genstande i et opløsningsmiddel, der er begrænset mellem to parallelle plader. Vi taler om at klippe systemet, når vi trækker disse plader i anti-parallelle retninger.

Under skæring, polymerer har forskellige dynamiske tilstande:"Tumbling" betyder, at de svajer og vender, sammenlignes med bevægelsen af ​​en mønt, der er blevet kastet op i luften. "Tank-treading" betyder rotation af en polymerring, sammenlignes med en rullende mønt eller en cykelkæde. Ud over disse tilstande, ringe under forskydning oplever at strække sig i strømningsretning, sammenlignes med et strakt gummibånd. Som nævnt elastik, den strakte polymer er under spænding. Rotation-, stræknings- og tilpasningsadfærd blev antaget at være de eneste forskydningseffekter på ringpolymerer - indtil nu.

Ny bevægelsestilstand opdaget

Når man simulerer disse ringpolymerer, forfatterne til undersøgelsen opdagede en helt ny fase - den såkaldte "inflationsfase". Over en vis forskydningshastighed, de observerede en hævelse ikke kun i strømningsretningen, men også i den ortogonale:den strakte ring "åbnet". Desuden, ringen stabiliserede sig, vippes i rummet i forhold til det pålagte flow. Den tidligere typiske vending og tumling blev næsten fuldstændig undertrykt. Polymerer af en anden topologisk form, såsom lineære kæder, stjerner og mikrogeler, ikke har nogen sådan adfærd. Da forskerne øgede forskydningshastigheden yderligere, til sidst væltede ind igen, og polymeren justeret med strømmen som forventet.

Effekten bliver endnu mere udtalt, når man ser på knudrede ringpolymerer. Dette visualiseres bedst ved at binde en knude på en snor og derefter forbinde begge ender. Så kan knuden ikke længere løses uden at klippe snoren op. Sådan en knude trækkes stramt under forskydning. I forbindelse med inflationsfasen, forskerne fandt ud af, at den stramme knude fungerer som en slags ekstra stabiliseringsanker og undertrykker tank-tramping såvel som tumbling.

Polymerer kan selvstabilisere

Holdet skylder deres opdagelse til en simuleringsmetode kaldet multi-partikel kollisionsdynamik, som tegner sig for lokale hvirvler og vandløb. I det specifikke tilfælde af ringpolymerer under forskydning, opløsningsmiddelpartikler reflekteres fra de strakte ender og ringens krop. Dette fører til kollisionen af ​​to modsatte strømme af reflekterede opløsningsmiddelpartikler i strømningsretningen nær polymerens massecentrum. Den resulterende strøm slipper ud til siderne, hvilket får ringen til at åbne sig og derfor den observerede hævelse ikke kun i strømnings- men også hvirvelretningen - det er retningen vinkelret på strømmen, men parallelt med de afklippede plader. Det resulterende strømningsfelt i forhold til den pålagte forskydning er også ansvarlig for polymerens selvstabilisering.

Den observerede effekt viser vigtigheden af ​​at overveje hydrodynamiske interaktioner og fluktuationer for at analysere opførselen af ​​ringformede polymerer. De nye resultater forventes at blive brugt i fremtidige undersøgelser af adskillelsesmetoder for ringe af forskellige størrelser og polymerer af forskellige topologiske former.