Wat is het verschil tussen lineaire kettingen en ringen die uit hetzelfde materiaal zijn samengesteld? De moleculaire bouwstenen zijn identiek, maar vanuit wiskundig oogpunt, de twee structuren hebben verschillende topologieën, ring en lineaire ketting. Dit verschil is gemakkelijk te herkennen op macroscopische schaal, als, bijvoorbeeld, een gouden ring en een goudstaaf, maar vertegenwoordigt een lastige taak op microscopische schaal. De natuurkundigen Lisa Weiss en Christos Likos van de Universiteit van Wenen en Arash Nikoubashman van de Johannes-Gutenberg Universiteit van Mainz onderzochten strategieën om nano- en microdeeltjes van verschillende topologie te scheiden. Hun resultaten worden gepubliceerd in het high-impact tijdschrift ACS-macrobrieven .

De puur wiskundige eigenschap – lineair of circulair – kan grote gevolgen hebben in de wereld van materialen. Omdat circulaire moleculen geen uiteinden hebben die als startpunt voor afbraak kunnen dienen, ze zijn resistenter en minder verstrikt. De natuur profiteert van deze unieke eigenschap van circulaire moleculen om de weerstand van DNA en RNA tegen afbraak te vergroten. Topologie speelt een rol wanneer moleculen uit evenwicht raken:lineaire en ringmoleculen stromen anders, net als hun mengsels.

Dit verschil in stroming kan worden verklaard door spaghetti als analogie voor lineaire moleculen te gebruiken en een pot ervan te roeren als analogie voor stroming:enkele noedels worden langwerpig in stromingsrichting, hoewel ze nog steeds verstrikt zijn. Bij het roeren van ringvormige pasta, het oriënteert zich gemakkelijker in de stroomrichting in vergelijking met lineaire spaghetti-strengen, en de ringen zijn minder verstrengeld, het roeren gemakkelijker maken.

Hoe dan ook, het scheiden van een mengsel van lineaire en ringvormige pasta in één pot in twee gescheiden systemen van hoge zuiverheid is een uitdagende taak, omdat de moleculaire bouwstenen precies hetzelfde zijn. Het is noodzakelijk om met de hand te sorteren. Zo'n proces is onmogelijk op microscopische schaal; Vandaar, de ontwikkeling van nieuwe materialen op basis van verschillende topologieën wordt belemmerd, net als de analyse van topologie in biologische systemen. Daarom, we hebben nieuwe en efficiënte scheidingstechnologieën nodig.

Onderzoekers van de Universiteit van Wenen en de Johannes-Gutenberg-Universiteit van Mainz ontwikkelden een geautomatiseerde strategie om betrouwbaar circulaire moleculen te scheiden van hun lineaire tegenhangers. Met behulp van computersimulaties, ze bewezen de effectiviteit van microfluïdische kanalen versierd met aantrekkelijke vlekken. Die vlekken trekken de moleculaire bouwstenen van lineaire en ringmoleculen even sterk aan. Lisa Weiss van de Computational Physics Group aan de Universiteit van Wenen legt uit dat lineaire ketens op deze plekken worden geïmmobiliseerd, terwijl ringmoleculen er langs kunnen rollen. Deze rollende beweging is alleen mogelijk voor topologieën met gesloten contourlijnen. Om het filter van de vastzittende kettingen te zuiveren, het kanaal wordt gespoeld met een niet-oplosmiddel voor de kettingen, d.w.z., een oplosmiddel waarin de moleculen niet kunnen oplossen - zoals, bijvoorbeeld, olie in water. Daarom, kettingen brokkelen af ​​en komen los, en vervolgens, de stroom voert de kettingen af ​​en het filter is schoon.