Van een bescheiden plastic tas tot ultralichte vliegtuigvleugels, polymeren zijn overal. Deze moleculen zijn lange ketens van atomen die vele rollen spelen voor goed en slecht, van organische fotovoltaïsche energie tot onverwoestbare plasticvervuiling. Polymeren zijn bruikbaar in vloeibare vorm, ook:het verschil tussen tomatenpuree en ketchup is slechts 0,5 procent xanthaangom, dat is een polymeer gemaakt van suiker. Ketchup is dik maar niet plakkerig, dankzij xanthaanketens die zo lang zijn dat ze elkaar doordringen en een verstrengeld web vormen dat weerstand biedt tegen stroming. Hetzelfde principe ligt ook ten grondslag aan hightech toepassingen zoals inkjetprinten.

Het is mogelijk om de hoeveelheid verdikkende additieven te verminderen zonder afbreuk te doen aan hun effect op de vloei, wat kosten zou besparen en de impact op het milieu zou minimaliseren. Het verbinden van de uiteinden van drie lineaire ketens met een enkel punt resulteert in een configuratie die een sterpolymeer wordt genoemd. Door deze vertakte architectuur, webben van sterpolymeren zijn dramatisch meer verstrengeld dan hun lineaire neven van dezelfde massa. Om uit te leggen hoe deze verstrengeling werkt, overweeg het concept van een willekeurige wandeling. Stel je voor dat je aan het wandelen bent en je speelt een spel:gooi vier keer een munt en zet een stap naar links voor elke kop, en een stap recht voor elke staart. Meestal eindig je twee stappen verwijderd van het startpunt. In feite, als we de uiteindelijke afstand met zichzelf vermenigvuldigen, 2x2=4, het is gelijk aan het aantal willekeurige stappen. Dit is de wet van diffusie, en het regelt de beweging van kleine moleculen zoals water.

Voor polymeren, we moeten de willekeurige wandeling naar hogere dimensies maken. Stel je voor dat je weer aan het wandelen bent, maar deze keer, je brengt honderd vrienden mee, en voor de veiligheid, jullie zijn allemaal verbonden met een touw. Elk lid begint het random walk-spel te spelen, maar het touw heeft wat speling, dus het duurt even voordat je de aantrekkingskracht van het hele team voelt. Dit soort beweging is een willekeurige wandeling, ingebed in een ander, langzamere willekeurige wandeling. Hier, 4x4=16 willekeurige stappen zijn nodig om een ​​afstand van twee stappen te verplaatsen. Volgende, stel je voor dat honderden touwteams allemaal zo dicht bij elkaar zijn vermengd dat ze alleen ruimte hebben om langs de lijn van hun eigen team omhoog of omlaag te gaan. Het effect van de menigte brengt ons op 16x16=256 stappen. Kun je raden hoeveel stappen er nodig zijn door een extra tak toe te voegen aan het midden van elk touwteam? Tip:het is niet 256x256=65536. Er zijn maar liefst 65536x65536=4,3 miljard willekeurige pogingen nodig om slechts twee stappen verder te komen.

Dit resultaat is aangetoond in een recente studie "5-D Entanglement in Star Polymer Dynamics, " door Airidas Korolkovas gepubliceerd in Geavanceerde theorie en simulaties , een nieuw tijdschrift gericht op doorbraken in de wetenschap van modellering. Er is een uniek computeralgoritme uitgevonden om de miljarden stappen vast te leggen die nodig zijn voor verstrengelde polymeren. Het draait op een snelle GPU en maakt gebruik van texture mapping. Oorspronkelijk, deze functie is ontworpen voor videogames, maar hier, het is hergebruikt om de moleculaire krachten in een klein polymeerdruppeltje te berekenen. Met behulp van een gestroomlijnd natuurkundig model, deze simulatie loopt honderden keren sneller dan traditionele code. Het opent nieuwe horizonten op de tijdschalen die kunnen worden aangepakt in wetenschappelijke informatica. Dit kan de grenzen verleggen voor de nieuwste generatie supercomputers, zoals de onlangs geopende Summit in Oak Ridge National Lab, VS, die heeft bijna 30, 000 GPU's.

Het effect van hogere dimensionale verstrengeling kan in het echte leven worden waargenomen met behulp van een instrument dat neutronen-spin-echo wordt genoemd. Deze machine schiet kleine subatomaire deeltjes, neutronen genoemd, en luistert naar de echo van hun nucleaire spin terwijl ze zich verspreiden, of stuiteren tegen het polymeermonster. Een goed voorbeeld is de IN15-bundellijn aan het Institut Laue-Langevin, Frankrijk, waar de verstrengeling van lineaire polymeren voor het eerst werd ontdekt. Dankzij constante upgrades en aankomende nieuwe faciliteiten zoals de European Spallation Source in Zweden, een experimenteel bewijs van de simulatievoorspelling voor sterpolymeren kan binnenkort binnen bereik zijn. Een combinatie van high-performance computing en neutronenverstrooiing is een krachtig ontdekkingsinstrument voor nieuwe materialen die onze kwaliteit van leven verbeteren en het milieu respecteren.