Una stringa ingegnerizzata di microsfere di larghezza può assorbire il gioco in cui la modellazione al computer fallisce i ricercatori che studiano la flessione, ripiegamento e altri movimenti di polimeri o biomolecole come actina e DNA.

L'ingegnere chimico e biomolecolare della Rice University Sibani Lisa Biswal e i suoi studenti, l'autore principale Steve Kuei, uno studente laureato, e co-autore Burke Garza, uno studente universitario ha creato stringhe di perline di polistirolo potenziate con ferro per magnetizzarle e con streptavidina, una proteina naturale che funge da collegamento elastico tra di loro.

Hanno messo le stringhe in soluzioni e le hanno manipolate con un campo magnetico rotante. Alcuni fili sono stati fatti per essere rigidi, alcuni un po' flessibili e altri molto più flessibili. Applicando una forza magnetica esterna, i ricercatori sono stati in grado di vedere come reagiva ogni tipo di stringa e hanno confrontato i risultati con modelli computerizzati di stringhe che avevano le stesse proprietà.

Biswal ha affermato che la nuova piattaforma consente ai ricercatori di studiare come le stringhe di vario tipo si comportano in condizioni dinamiche in un modo scalabile che non è possibile con le simulazioni a causa dell'elevato costo computazionale. Potrebbe giovare ai ricercatori che studiano le proteine, DNA e RNA in sistemi biologici o coloro che studiano le proprietà fluide dei polimeri che si intrecciano per creare gel o l'ordinamento e la densità di imballaggio dei cristalli liquidi.

"Vedo persone che lo usano per studiare gli aspetti pratici della costruzione, dire, micro robot con la coda scodinzolante, o robot che possono arrotolarsi, " ha detto Biswal. Poiché la tecnica potrebbe modellare il movimento flagellare in un ambiente fluido, potrebbe anche aiutare a rendere possibili gli organismi artificiali, lei disse.

La ricerca appare sulla rivista dell'American Physical Society Fluidi per la revisione fisica .

Il team di Rice sapeva che c'erano già molte informazioni disponibili sulle corde rigide e flessibili, filamenti e fibre e come si sono mossi a causa del moto browniano o in risposta al taglio o ad altre forze. Ma c'erano pochissimi dati sulle fibre semiflessibili come l'actina, nanotubi di carbonio e ciglia.

"C'è molto interesse per i materiali che si piegano in geometrie complesse, ma anche cose semplici come fare un nodo alla macroscala sono molto difficili alla microscala, " Biswal ha detto. "Così abbiamo sviluppato un metodo per permetterci di guardare le forze dinamiche coinvolte. La capacità di progettare diverse flessibilità in questo materiale è il suo vero potere".

Le corde isolate nel liquido potrebbero essere agitate o mescolate, ma il team di Rice ha costruito un dispositivo per ruotare il campo magnetico che ha toccato ogni pallina con una forza delicata. Hanno osservato corde che reagivano in modi diversi a seconda del livello di flessibilità e/o elasticità intrinseci.

Le aste rigide ruotano semplicemente di concerto con il campo magnetico. Quelli con un po' più di flessibilità "scodinzolavano" nel campo in movimento, e i centri giravano mentre le code si rilassavano. Le corde più lunghe e flessibili tendevano ad arrotolarsi, alla fine compattandosi in una forma con meno resistenza che permettesse loro di comportarsi come i loro fratelli rigidi.

"La maggior parte delle volte le stringhe sono aperte nella struttura finché non accendi il campo rotante e si accartocciano, " Biswal ha detto. "Questo cambia le proprietà del fluido sottostante, perché passano dall'occupare molto spazio a occupare pochissimo. Un fluido con le stringhe potrebbe passare dal comportarsi come il miele al comportarsi come l'acqua."

Tali effetti non possono essere visti direttamente con proteine ​​che sono entrambe di diversi ordini di grandezza più piccole e tuttavia hanno troppe perline - i residui - per simulare facilmente il loro ripiegamento, disse Bisval.

"C'è stato un lavoro con DNA marcato con fluorescenza e altri biofilm come l'actina, ma non possono ottenere quella risoluzione da perlina a perlina che possiamo ottenere con il nostro metodo, " ha detto. "Possiamo effettivamente vedere le posizioni di tutte le nostre particelle".

Le stringhe nello studio attuale avevano fino a 70 perline. I ricercatori hanno in programma di realizzare catene fino a 1, 000 perline per studi futuri su dinamiche di piegatura più complicate.