Een geconstrueerde reeks micronbrede kralen kan de speling opvangen waar computermodellering onderzoekers die de buiging bestuderen, faalt, vouwen en andere bewegingen van polymeren of biomoleculen zoals actine en DNA.

Rice University chemisch en biomoleculair ingenieur Sibani Lisa Biswal en haar studenten-hoofdauteur Steve Kuei, een afgestudeerde student, en co-auteur Burke Garza, een door een student gemaakte strengen van polystyreenkralen versterkt met ijzer om ze te magnetiseren en met streptavidine, een natuurlijk eiwit dat als een veerkrachtige linker tussen hen dient.

Ze plaatsten de snaren in oplossingen en manipuleerden ze met een roterend magnetisch veld. Sommige strengen waren stijf gemaakt, sommige een beetje buigzaam en sommige veel flexibeler. Door een externe magnetische kracht toe te passen, de onderzoekers konden zien hoe elk type snaar reageerde en vergeleken de resultaten met computermodellen van snaartjes die dezelfde eigenschappen hadden.

Biswal zei dat het nieuwe platform onderzoekers in staat stelt te bestuderen hoe strings van verschillende typen zich gedragen onder dynamische omstandigheden op een schaalbare manier die niet mogelijk is met simulaties vanwege de hoge rekenkosten. Het kan voordelen opleveren voor onderzoekers die eiwitten bestuderen, DNA en RNA in biologische systemen of degenen die de vloeistofeigenschappen bestuderen van polymeren die verstrengelen om gels te creëren of de ordenings- en pakkingsdichtheid van vloeibare kristallen.

"Ik zie mensen dit gebruiken om de praktische aspecten van bouwen te bestuderen, zeggen, microrobots met kwispelende staarten, of robots die kunnen oprollen, " zei Biswal. Omdat de techniek flagellaire beweging in een vloeiende omgeving kan modelleren, het kan ook helpen om kunstmatige organismen mogelijk te maken, ze zei.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Physical Society Fysieke beoordeling Vloeistoffen .

Het Rice-team wist dat er al veel informatie beschikbaar was over stijve en flexibele snaren, filamenten en vezels en hoe ze bewogen als gevolg van Brownse beweging of in reactie op afschuiving of andere krachten. Maar er waren heel weinig gegevens over semiflexibele vezels zoals actine, koolstof nanobuisjes en trilhaartjes.

"Er is veel interesse in materialen die vouwen tot complexe geometrieën, maar zelfs simpele dingen zoals een knoop leggen op macroschaal zijn erg moeilijk op microschaal, Biswal zei. "Dus hebben we een methode ontwikkeld om ons te laten kijken naar de betrokken dynamische krachten. Het vermogen om verschillende flexibiliteiten in dit materiaal te verwerken, is zijn echte kracht."

De in vloeistof geïsoleerde snaren kunnen worden geschud of geroerd, maar het Rice-team bouwde een apparaat om het magnetische veld te draaien dat elke kraal met zachte kracht raakte. Ze observeerden snaren die op verschillende manieren reageerden, afhankelijk van het niveau van ingebouwde flexibiliteit en/of elasticiteit.

Stijve staven roteren eenvoudig samen met het magnetische veld. Degenen met een beetje meer flexibiliteit "kwispelden" met hun staart in het bewegende veld, en de centra zouden draaien als de staarten ontspannen. Langere en flexibelere snaren waren gevoelig voor oprollen, uiteindelijk samengeperst tot een vorm met minder weerstand waardoor ze zich konden gedragen als hun starre broeders.

"Meestal zijn snaren open van structuur totdat je het roterende veld aanzet en ze verkreukelen, Biswal zei. "Dat verandert de onderliggende vloeistofeigenschappen, omdat ze van veel ruimte naar heel weinig gaan. Een vloeistof met snaren kan gaan van zich als honing gedragen naar zich gedragen als water."

Dergelijke effecten kunnen niet direct worden waargenomen bij eiwitten die beide een aantal ordes van grootte kleiner zijn en toch te veel kralen hebben - de residuen - om hun vouwing gemakkelijk te simuleren, zei Biswal.

"Er is wat werk geweest met fluorescent gelabeld DNA en andere biofilms zoals actine, maar ze kunnen niet die kraal-tot-kraal resolutie krijgen die we kunnen met onze methode, "zei ze. "We kunnen de posities van al onze deeltjes echt zien."

Strings in de huidige studie hadden tot 70 kralen. De onderzoekers zijn van plan om ketens tot 1 000 kralen voor toekomstige studies over meer gecompliceerde vouwdynamiek.