Vad är skillnaden mellan linjära kedjor och ringar som består av samma material? De molekylära byggstenarna är identiska, men ur matematisk synvinkel, de två strukturerna har distinkta topologier, ring och linjär kedja. Denna skillnad är lätt igenkännlig i makroskopisk skala, som, till exempel, en gyllene ring och en guldstång, men representerar en knepig uppgift i mikroskopisk skala. Fysikerna Lisa Weiss och Christos Likos från Wien universitet och Arash Nikoubashman vid Johannes-Gutenberg universitet i Mainz undersökte strategier för att separera nano- och mikropartiklar med distinkt topologi. Deras resultat publiceras i tidskriften med hög effekt ACS Makrobokstäver .
Den rent matematiska egenskapen - linjär eller cirkulär - kan få allvarliga konsekvenser i materialvärlden. Eftersom cirkulära molekyler saknar några ändar som kan fungera som en utgångspunkt för nedbrytning, de är mer motståndskraftiga och mindre intrasslade. Naturen tjänar på denna unika egenskap hos cirkulära molekyler för att öka DNA och RNA motståndskraft mot nedbrytning. Topologi spelar en roll när molekyler kommer ur jämvikt:Linjära och ringmolekyler flyter annorlunda, liksom deras blandningar.
Denna skillnad i flöde kan förklaras med hjälp av spaghetti som en analogi för linjära molekyler och omrörning av en kruka av dem som analogi för flöde:Enstaka nudlar förlängs i flödesriktning, även om de fortfarande är intrasslade. Vid omrörning av ringformad pasta, det orienterar sig lättare i flödesriktningen jämfört med linjära spagettistrådar, och ringarna är mindre intrasslade, underlättar omrörningen.
Ändå, att separera en blandning av linjär och ringformad pasta i en kruka i två separerade system med hög renhet är en utmanande uppgift, eftersom de molekylära byggstenarna är exakt desamma. Det är nödvändigt att sortera för hand. En sådan process är omöjlig i mikroskopisk skala; därav, utvecklingen av nytt material baserat på olika topologier hindras, liksom analysen av topologi i biologiska system. Därför, vi behöver ny och effektiv separationsteknik.
Forskare vid universitetet i Wien och Johannes-Gutenberg-universitetet i Mainz utvecklade en automatiserad strategi för att separera pålitligt cirkulära molekyler från sina linjära motsvarigheter. Med hjälp av datasimuleringar, de bevisade effektiviteten hos mikrofluidiska kanaler dekorerade med attraktiva fläckar. Dessa fläckar lockar molekylära byggstenar för linjära och ringmolekyler lika starkt. Lisa Weiss från Computational Physics Group vid universitetet i Wien förklarar att linjära kedjor är immobiliserade på dessa fläckar, medan ringmolekyler kan rulla längs dem. Denna rullande rörelse är endast möjlig för topologier med slutna konturlinjer. För att rena filtret från de fastna kedjorna, kanalen spolas med ett lösningsmedel för kedjorna, d.v.s. ett lösningsmedel där molekylerna inte kan lösas upp - som, till exempel, olja i vatten. Därför, kedjorna sönderfaller och lossnar, och därefter, flödet bär bort kedjorna och filtret är rent.
