I polimeri sono lunghe molecole costituite da blocchi molecolari collegati periodicamente chiamati monomeri. Alcuni polimeri si trovano naturalmente sotto forma di anelli chiusi, ad esempio come plasmidi, filamenti di DNA ciclici nei batteri, o per catene proteiche sufficientemente lunghe. Immagina di immergere tali oggetti in un solvente vincolato tra due piastre parallele. Parliamo di cesoiamento del sistema quando tiriamo queste piastre in direzioni antiparallele.

sotto taglio, i polimeri presentano diverse modalità dinamiche:"Tumbling" significa il loro ondeggiare e capovolgersi, paragonabile al movimento di una moneta lanciata in aria. "Tank-Treading" indica la rotazione di un anello polimerico, paragonabile a una moneta da lancio o a una catena di bicicletta. Oltre a queste modalità, anelli sotto esperienza di taglio che si estendono nella direzione del flusso, paragonabile a un elastico allungato. Come detto elastico, il polimero stirato è in tensione. Rotazione-, Si presumeva che il comportamento di allungamento e allineamento fossero gli unici effetti di taglio sui polimeri ad anello, fino ad ora.

Scoperta una nuova modalità di movimento

Quando si simulano questi polimeri ad anello, gli autori dello studio hanno scoperto una fase completamente nuova, la cosiddetta "fase di inflazione". Al di sopra di una certa velocità di taglio, hanno osservato un rigonfiamento non solo nella direzione del flusso, ma anche in quella ortogonale:l'anello teso "aperto". Per di più, l'anello si è stabilizzato, inclinato nello spazio rispetto al flusso imposto. Il flipping e il tumbling un tempo tipici sono stati quasi completamente soppressi. Polimeri di diversa forma topologica, come catene lineari, stelle e microgel, non presentano alcun comportamento del genere. Quando gli scienziati hanno aumentato ulteriormente la velocità di taglio, alla fine ruzzolando di nuovo, e il polimero allineato con il flusso come previsto.

L'effetto diventa ancora più pronunciato quando si osservano i polimeri ad anello annodato. Questo è meglio visualizzato legando un nodo su una corda e quindi collegando entrambe le estremità. Il nodo non può più essere sciolto senza tagliare la corda. Tale nodo è stretto sotto il taglio. Nel contesto della fase di inflazione, gli scienziati hanno scoperto che il nodo stretto serve come una sorta di ancoraggio di stabilizzazione aggiuntivo e sopprime il calpestio del carro armato e il rotolamento.

I polimeri possono autostabilizzarsi

Il team deve la scoperta a un metodo di simulazione chiamato dinamica di collisione multiparticellare, che rappresenta vortici e flussi locali. Nel caso specifico dei polimeri ad anello sottoposti a taglio, le particelle di solvente vengono riflesse dalle estremità allungate e dal corpo dell'anello. Ciò porta alla collisione di due flussi opposti di particelle di solvente riflesse nella direzione del flusso vicino al centro di massa del polimero. Il flusso risultante fuoriesce ai lati che provoca l'apertura dell'anello e quindi il rigonfiamento osservato non solo nella direzione del flusso, ma anche della vorticità, cioè la direzione ortogonale al flusso, ma paralleli alle lamiere tranciate. Il campo di flusso risultante relativo al taglio imposto è anche responsabile dell'autostabilizzazione del polimero.

L'effetto osservato mostra l'importanza di considerare le interazioni e le fluttuazioni idrodinamiche per analizzare il comportamento dei polimeri a forma di anello. Si prevede che le nuove scoperte saranno impiegate in studi futuri sui metodi di separazione per anelli di diverse dimensioni e polimeri di diverse forme topologiche.