Da un umile sacchetto di plastica ad ali di aeroplano ultraleggeri, i polimeri sono ovunque. Queste molecole sono lunghe catene di atomi che svolgono molti ruoli nel bene e nel male, dal fotovoltaico organico all'inquinamento plastico indistruttibile. I polimeri sono utili in forma liquida, inoltre:la differenza tra passata di pomodoro e ketchup è solo lo 0,5 percento di gomma xantana, che è un polimero a base di zucchero. Il ketchup è denso ma non appiccicoso, grazie a catene di xantano così lunghe da compenetrarsi e formare una rete aggrovigliata che resiste al flusso. Lo stesso principio è alla base anche delle applicazioni high-tech come la stampa a getto d'inchiostro.

È possibile diminuire la quantità di addensanti senza comprometterne l'effetto sul flusso, che permetterebbe di risparmiare sui costi e ridurre al minimo l'impatto ambientale. Collegando le estremità di tre catene lineari a un singolo punto si ottiene una configurazione chiamata polimero a stella. A causa di questa architettura ramificata, le reti di polimeri stellari sono notevolmente più intrecciate rispetto alle loro cugine lineari della stessa massa. Per spiegare come funziona questo intreccio, considerare il concetto di passeggiata aleatoria. Immagina di fare un'escursione e di fare un gioco:lancia quattro volte una moneta e fai un passo a sinistra per ogni testa, e un passo giusto per ogni croce. Molto spesso finirai a due passi dal punto di partenza. Infatti, se moltiplichiamo la distanza finale per se stessa, 2x2=4, è uguale al numero di passi casuali. Questa è la legge di diffusione, e governa il movimento di piccole molecole come l'acqua.

Per i polimeri, dobbiamo prendere la passeggiata casuale verso dimensioni superiori. Immagina di essere di nuovo a fare un'escursione, ma questa volta, porti cento amici, e per la sicurezza, vi collegate tutti con una corda. Ogni membro inizia a giocare al gioco della passeggiata casuale, ma la corda ha un po' di lasco, quindi ci vuole un po' per sentire l'attrazione dell'intera squadra. Questo tipo di movimento è una passeggiata casuale, incastonato in un altro, camminata casuale più lenta. Qui, Sono necessari 4x4=16 passi casuali per spostare una distanza di due passi. Prossimo, immagina centinaia di squadre di cordate tutte mescolate così densamente che hanno solo spazio per salire o scendere la linea della propria squadra. L'effetto della folla ci porta a 16x16=256 passi. Riuscite a indovinare quanti passaggi sarebbero necessari aggiungendo un ramo in più al centro di ogni cordata? Suggerimento:non è 256x256=65536. Ci vogliono ben 65536x65536=4.3 miliardi di tentativi casuali per arrivare a soli due passi.

Questo risultato è stato mostrato in un recente studio "5D Entanglement in Star Polymer Dynamics, " di Airidas Korolkovas pubblicato in Teoria avanzata e simulazioni , una nuova rivista incentrata sulle scoperte nella scienza della modellazione. È stato inventato un algoritmo informatico unico per catturare i miliardi di passaggi necessari per i polimeri entangled. Funziona su una GPU ad alta velocità e sfrutta la mappatura delle texture. Originariamente, questa funzione è stata progettata per i videogiochi, ma qui, è stato riproposto per calcolare le forze molecolari all'interno di una piccola goccia di polimero. Utilizzando un modello fisico semplificato, questa simulazione viene eseguita centinaia di volte più velocemente del codice tradizionale. Apre nuovi orizzonti sulle scale temporali che possono essere affrontate nell'informatica scientifica. Questo può spingere ulteriormente le frontiere per l'ultima generazione di supercomputer, come il Summit aperto di recente all'Oak Ridge National Lab, STATI UNITI D'AMERICA, che ne ha quasi 30, 000 GPU.

L'effetto dell'entanglement dimensionale superiore può essere osservato nella vita reale utilizzando uno strumento chiamato neutron spin-echo. Questa macchina spara minuscole particelle subatomiche, chiamati neutroni, e ascolta l'eco della loro rotazione nucleare mentre si disperdono, o rimbalzare sul campione di polimero. Un primo esempio è la linea di luce IN15 presso l'Institut Laue-Langevin, Francia, dove è stato scoperto per la prima volta l'entanglement dei polimeri lineari. Grazie ai costanti aggiornamenti e alle nuove strutture in arrivo come la European Spallation Source in Svezia, una prova sperimentale della previsione della simulazione per i polimeri stellari potrebbe essere presto a portata di mano. Una combinazione di calcolo ad alte prestazioni e diffusione di neutroni è un potente strumento di scoperta di nuovi materiali che migliorano la qualità della nostra vita e rispettano l'ambiente.