Polymeren zijn lange moleculen gemaakt van periodiek verbonden moleculaire bouwstenen die monomeren worden genoemd. Sommige polymeren komen van nature voor in de vorm van gesloten ringen, bijvoorbeeld als plasmiden, cyclische DNA-strengen in bacteriën, of voor voldoende lange eiwitketens. Stel je voor dat je zulke objecten onderdompelt in een oplosmiddel dat tussen twee parallelle platen zit. We hebben het over het afschuiven van het systeem wanneer we deze platen in antiparallelle richtingen trekken.

onder afschuiving, polymeren hebben verschillende dynamische modi:"tuimelen" betekent hun zwaaien en draaien, vergelijkbaar met de beweging van een munt die in de lucht is gegooid. "Tank-Treading" betekent de rotatie van een polymeerring, vergelijkbaar met een rollende munt of een fietsketting. Naast deze modi, ringen onder afschuiving ervaring rekken in stroomrichting, vergelijkbaar met een uitgerekte rubberen band. Zoals gezegd elastiekje, het uitgerekte polymeer staat onder spanning. Rotatie-, Uitrek- en uitlijngedrag werden tot nu toe verondersteld de enige afschuifeffecten op ringpolymeren te zijn.

Nieuwe bewegingsmodus ontdekt

Bij het simuleren van deze ringpolymeren, de auteurs van de studie ontdekten een geheel nieuwe fase - de zogenaamde 'inflatiefase'. Boven een bepaalde afschuifsnelheid, ze zagen niet alleen een zwelling in de stroomrichting, maar ook in de orthogonale:de uitgerekte ring "geopend". Verder, de ring stabiliseerde zichzelf, gekanteld in de ruimte ten opzichte van de opgelegde stroming. Het voorheen typische flippen en tuimelen werd bijna volledig onderdrukt. Polymeren van een andere topologische vorm, zoals lineaire ketens, sterren en microgels, vertonen geen dergelijk gedrag. Toen de wetenschappers de afschuifsnelheid verder verhoogden, uiteindelijk kwam het tuimelen weer binnen, en het polymeer uitgelijnd met de stroom zoals verwacht.

Het effect wordt nog meer uitgesproken als we kijken naar geknoopte ringpolymeren. Dit kun je het beste visualiseren door een knoop aan een touwtje te leggen en vervolgens beide uiteinden met elkaar te verbinden. De knoop kan dan niet meer losgemaakt worden zonder het touwtje open te knippen. Zo'n knoop wordt strak getrokken onder afschuiving. In de context van de inflatiefase, de wetenschappers ontdekten dat de strakke knoop dient als een soort extra stabilisatieanker en onderdrukt het betreden van de tank en het tuimelen.

Polymeren kunnen zichzelf stabiliseren

Het team dankt hun ontdekking aan een simulatiemethode genaamd multi-particle collision dynamics, die goed is voor lokale wervelingen en stromen. In het specifieke geval van ringpolymeren onder afschuiving, oplosmiddeldeeltjes worden gereflecteerd door de uitgerekte uiteinden en het lichaam van de ring. Dit leidt tot de botsing van twee tegengestelde stromen van gereflecteerde oplosmiddeldeeltjes in de stroomrichting nabij het massamiddelpunt van het polymeer. De resulterende stroom ontsnapt naar de zijkanten waardoor de ring opengaat en daardoor de waargenomen zwelling niet alleen in de stromingsrichting, maar ook in de vorticiteitsrichting, dat is de richting loodrecht op de stroming, maar evenwijdig aan de geschoren platen. Het resulterende stromingsveld ten opzichte van de opgelegde afschuiving is ook verantwoordelijk voor de zelfstabilisatie van het polymeer.

Het waargenomen effect toont het belang aan van het overwegen van hydrodynamische interacties en fluctuaties voor het analyseren van het gedrag van ringvormige polymeren. De nieuwe bevindingen zullen naar verwachting worden gebruikt in toekomstige studies over scheidingsmethoden voor ringen van verschillende groottes en polymeren met verschillende topologische vormen.