Qual è la differenza tra catene lineari e anelli composti dallo stesso materiale? Gli elementi costitutivi molecolari sono identici, ma da un punto di vista matematico, le due strutture hanno topologie distinte, anello e catena lineare. Questa differenza è facilmente riconoscibile su scala macroscopica, come, Per esempio, un anello d'oro e un lingotto d'oro, ma rappresenta un compito difficile su scala microscopica. I fisici Lisa Weiss e Christos Likos dell'Università di Vienna e Arash Nikoubashman dell'Università Johannes-Gutenberg di Mainz hanno studiato strategie per separare nanoparticelle e microparticelle di topologia distinta. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista ad alto impatto Lettere macro ACS .
La proprietà puramente matematica – lineare o circolare – può avere gravi conseguenze nel mondo dei materiali. Poiché le molecole circolari mancano di qualsiasi estremità che possa servire come punto di partenza per la degradazione, sono più resistenti e meno aggrovigliati. La natura trae vantaggio da questa proprietà unica delle molecole circolari per aumentare la resilienza del DNA e dell'RNA contro la degradazione. La topologia gioca un ruolo quando le molecole escono dall'equilibrio:le molecole lineari e ad anello fluiscono in modo diverso, così come le loro miscele.
Questa differenza di flusso può essere spiegata usando gli spaghetti come analogia per le molecole lineari e mescolandone una pentola come analogia per il flusso:i singoli noodles si allungano nella direzione del flusso, anche se sono ancora impigliati. Quando si mescola la pasta a ciambella, si orienta più facilmente nella direzione del flusso rispetto ai fili di spaghetti lineari, e gli anelli sono meno impigliati, rendendo più facile l'agitazione.
Tuttavia, separare un impasto di pasta lineare e ciambella in una pentola in due sistemi separati di elevata purezza è un compito impegnativo, poiché i mattoni molecolari sono esattamente gli stessi. È necessario ordinare a mano. Un tale processo è impossibile su scala microscopica; quindi, ostacolato lo sviluppo di nuovi materiali basati su diverse topologie, così come l'analisi della topologia nei sistemi biologici. Perciò, abbiamo bisogno di nuove ed efficienti tecnologie di separazione.
I ricercatori dell'Università di Vienna e dell'Università Johannes-Gutenberg di Magonza hanno sviluppato una strategia automatizzata per separare in modo affidabile le molecole circolari dalle loro controparti lineari. Utilizzando simulazioni al computer, hanno dimostrato l'efficacia dei canali microfluidici decorati con punti attraenti. Quei punti attraggono ugualmente fortemente gli elementi costitutivi molecolari delle molecole lineari e ad anello. Lisa Weiss del Computational Physics Group dell'Università di Vienna spiega che le catene lineari sono immobilizzate in questi punti, mentre le molecole dell'anello possono rotolare lungo di esse. Questo movimento di rollio è possibile solo per topologie con curve di livello chiuse. Per purificare il filtro dalle catene incastrate, il canale viene lavato con un non solvente per le catene, cioè., un solvente in cui le molecole non possono dissolversi - come, Per esempio, olio nell'acqua. Perciò, le catene si sgretolano e si staccano, e successivamente, il flusso porta via le catene e il filtro è pulito.
