LMU-onderzoekers hebben de conventionele theorie weerlegd die wordt gebruikt om de dynamiek van polymeeroplossingen te verklaren. Ze laten zien dat voor biopolymeren collectieve effecten ketenmobiliteit vergemakkelijken, die doet denken aan het gedrag van glasachtige materialen.

Wat doen zijden draden, kunststoffen en DNA gemeen hebben? Ze zijn allemaal opgebouwd uit polymere bestanddelen en zijn representatief voor wat wetenschappers 'zachte materie' noemen. In tegenstelling tot harde gecondenseerde materie, deze materialen zijn intrinsiek flexibel ('zacht'), maar kan onder omgevingsomstandigheden toch stabiele structuren vormen. Vandaar, zachte materie kan niet ondubbelzinnig worden geclassificeerd als vast of vloeibaar, omdat de materiaaleigenschappen erg gevoelig zijn voor omgevingsparameters. – Veranderingen in temperatuur kunnen een duidelijk effect hebben op hun gevoeligheid voor vervorming, bijvoorbeeld. Inderdaad, hun structurele dynamiek is de sleutel tot hun gedrag en de belangrijkste determinant van hun functies en toepassingen. In een nieuwe studie, LMU-natuurkundigen Professor Erwin Frey en Dr. Philipp Lang hebben de conventionele theorie weerlegd die tot nu toe werd gebruikt om de reologische kenmerken (d.w.z. hun reactie op externe mechanische spanningen) van polymeeroplossingen te verklaren, en een alternatief model ontwikkeld. De nieuwe studie verschijnt in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Frey en Lang richtten zich op de dynamiek van semi-flexibele tot stijve polymeren - de groep waartoe biopolymeren, waaronder DNA, of actinefilamenten en microtubuli die een belangrijk onderdeel van het cytoskelet vormen. Alle polymeren zijn opgebouwd uit herhalende subeenheden die aan elkaar zijn gekoppeld om lange macromoleculaire ketens te vormen. in oplossing, deze macromoleculen zijn nauw met elkaar verstrengeld, als de vezels in pluisjes. In de jaren zeventig, er is een model ontwikkeld om hun dynamiek te beschrijven. In dit reptatiemodel elk polymeermolecuul wordt gezien als opgesloten in een flexibele buis waardoor het op een golvende manier beweegt, als de spreekwoordelijke slang in het gras (vandaar de naam). De wanden van deze buizen worden zelf bepaald door alle andere polymeermoleculen in het medium. Op deze manier, het model legt vast hoe de mobiliteit van elk afzonderlijk macromolecuul wordt beperkt door de ruimtelijke verdeling van alle andere. Op deze foto, de enige manier om zo'n nest adders te ontwarren is om individuele vezels uit hun opsluitende buizen te trekken, omdat beweging loodrecht op de buiswanden niet mogelijk is.

"Onze uitgebreide computersimulaties, echter, suggereren een heel ander type polymeerdynamiek voor biopolymeren, " zegt Frey. "We nemen geen ingewikkelde bewegingen van individuele polymeren waar. In plaats daarvan, vinden we relatief snel, collectieve reorganisatie van de buizen, wat resulteert in het ontwarren van polymeerketens." Volgens de auteurs, de dynamiek lijkt op die van glasachtige materialen. Dit soort gedrag is niet gebaseerd op de onafhankelijke bewegingen van individuele polymeermoleculen, maar komt voort uit interacties tussen polymeren op veel grotere schaal. Dit leidt tot collectieve beweging van alle polymeerketens in een lokale buurt, zodat de hele warboel zichzelf begint op te lossen, verwarde kettingen worden ontrafeld, de dichte bal wordt losser, en nieuwe paden door het doolhof worden gecreëerd.

"We hebben een nieuw theoretisch concept ontwikkeld dat de collectieve dynamiek kan verklaren en de resultaten reproduceert die zijn verkregen in onze simulaties, ", zegt Frey. "Onze bevindingen zullen de huidige aannames met betrekking tot de relevantie van collectieve effecten fundamenteel veranderen, niet alleen in biopolymeeroplossingen, maar mogelijk ook in andere zachte-materiesystemen." De theoretische voorspellingen van het nieuwe model zouden vrij eenvoudig experimenteel te testen zijn in systemen waarbij biopolymeren of koolstofnanobuisjes betrokken zijn. Lang en Frey hebben al laten zien dat de gegevens uit hun simulaties volledig in overeenstemming zijn met de resultaten van een onderzoek naar koolstofnanobuisjes dat is gepubliceerd door een Nederlands-Amerikaanse onderzoeksgroep.