I ricercatori della LMU hanno smentito la teoria convenzionale utilizzata per spiegare la dinamica delle soluzioni polimeriche. Mostrano che per i biopolimeri gli effetti collettivi facilitano la mobilità della catena, che ricorda il comportamento dei materiali simili al vetro.

Cosa fanno i fili di seta, plastica e DNA hanno in comune? Sono tutti costituiti da costituenti polimerici e sono rappresentativi di ciò che gli scienziati chiamano "materia soffice". A differenza della materia condensata dura, questi materiali sono intrinsecamente flessibili ("morbidi"), ma può comunque formare strutture stabili in condizioni ambientali. Quindi, la materia soffice non può essere classificata inequivocabilmente come solida o liquida, perché le sue proprietà del materiale sono molto sensibili ai parametri ambientali. – Le variazioni di temperatura possono avere un effetto marcato sulla loro suscettibilità alla deformazione, ad esempio. Infatti, la loro dinamica strutturale è la chiave del loro comportamento e la principale determinante delle loro funzioni e applicazioni. In un nuovo studio, I fisici della LMU, il professor Erwin Frey e il dott. Philipp Lang, hanno confutato la teoria convenzionale finora utilizzata per spiegare le caratteristiche reologiche (cioè la loro risposta alle sollecitazioni meccaniche esterne) delle soluzioni polimeriche, e sviluppato un modello alternativo. Il nuovo studio appare sulla rivista online Comunicazioni sulla natura .

Frey e Lang si sono concentrati sulla dinamica dei polimeri da semiflessibili a rigidi - il gruppo a cui appartengono i biopolimeri compreso il DNA, o filamenti di actina e microtubuli che sono un componente importante del citoscheletro appartengono. Tutti i polimeri sono costituiti da subunità ripetute che sono collegate tra loro per formare lunghe catene macromolecolari. In soluzione, queste macromolecole sono intricate tra loro, come le fibre in ciuffi di lanugine. Negli anni '70, è stato sviluppato un modello per descrivere le loro dinamiche. In questo modello di reptation, ogni molecola polimerica è vista come confinata all'interno di un tubo flessibile attraverso il quale si muove in modo ondulatorio, come il proverbiale serpente nell'erba (da cui il nome). Le pareti di questi tubi sono a loro volta definite da tutte le altre molecole polimeriche nel mezzo. In questo modo, il modello cattura come la mobilità di ogni singola macromolecola sia limitata dalla distribuzione spaziale di tutte le altre. In questa immagine, l'unico modo per districare tale nido di vipere è tirare le singole fibre fuori dai loro tubi confinanti, perché non è possibile un movimento ortogonale alle pareti del tubo.

"Le nostre ampie simulazioni al computer, però, suggeriscono un tipo molto diverso di dinamica dei polimeri per i biopolimeri, " dice Frey. "Noi non osserviamo movimenti contorti dei singoli polimeri. Anziché, troviamo relativamente rapido, riorganizzazione collettiva dei tubi, che si traduce nel districamento delle catene polimeriche." Secondo gli autori, la dinamica ricorda quella dei materiali simili al vetro. Questo tipo di comportamento non si basa sui moti indipendenti delle singole molecole polimeriche, ma deriva da interazioni tra polimeri su scale molto più grandi. Questo porta al movimento collettivo di tutte le catene polimeriche in un quartiere locale, tale che l'intero guazzabuglio comincia a risolversi, le catene aggrovigliate sono sbrogliate, la palla densa si scioglie, e vengono creati nuovi percorsi attraverso il labirinto.

"Abbiamo sviluppato un nuovo concetto teorico che può rendere conto delle dinamiche collettive e riproduce i risultati ottenuti nelle nostre simulazioni, ", afferma Frey. "I nostri risultati cambieranno radicalmente le ipotesi attuali riguardanti la rilevanza degli effetti collettivi non solo nelle soluzioni di biopolimeri ma potenzialmente anche in altri sistemi di materia soffice". Le previsioni teoriche fatte dal nuovo modello dovrebbero essere abbastanza facili da testare sperimentalmente in sistemi che coinvolgono biopolimeri o nanotubi di carbonio. Lang e Frey hanno già dimostrato che i dati derivati ​​dalle loro simulazioni sono in completo accordo con i risultati di uno studio sui nanotubi di carbonio pubblicato da un gruppo di ricerca olandese-americano.