LMU -forskare har motbevisat den konventionella teorin som används för att förklara dynamiken i polymerlösningar. De visar att kollektiva effekter för biopolymerer underlättar kedjemobilitet, vilket påminner om beteendet hos glasliknande material.

Vad gör silketrådar, har plast och DNA gemensamt? De består alla av polymera beståndsdelar och är representativa för vad forskare kallar "mjuk materia". Till skillnad från hårt kondenserat material, dessa material är i sig flexibla ('mjuka'), men kan ändå bilda stabila strukturer under omgivande förhållanden. Därav, mjuk materia kan inte entydigt klassificeras som antingen fast eller flytande, eftersom dess materialegenskaper är mycket känsliga för miljöparametrar. - Temperaturförändringar kan ha en markant effekt på deras känslighet för deformation, till exempel. Verkligen, deras strukturella dynamik är nyckeln till deras beteende och den viktigaste determinanten för deras funktioner och tillämpningar. I en ny studie, LMU -fysikerna professor Erwin Frey och doktor Philipp Lang har motbevisat den konventionella teori som hittills använts för att redogöra för de reologiska egenskaperna (dvs deras reaktion på yttre mekaniska påfrestningar) hos polymerlösningar, och utvecklat en alternativ modell. Den nya studien visas i onlinejournalen Naturkommunikation .

Frey och Lang fokuserade på dynamiken i halvflexibla till styva polymerer-gruppen till vilken biopolymerer inklusive DNA, eller aktinfilament och mikrotubuli som är en huvudkomponent i cytoskeletet tillhör. Alla polymerer består av upprepande subenheter som är sammanlänkade för att bilda långa makromolekylära kedjor. I lösning, dessa makromolekyler är intrikat intrasslade med varandra, som fibrerna i klumpar av ludd. På 1970 -talet, en modell utvecklades för att beskriva deras dynamik. I denna reptationsmodell, varje polymermolekyl ses som begränsad i ett flexibelt rör genom vilket den rör sig på ett ovandrande sätt, som den ordspråkliga ormen i gräset (därav namnet). Väggarna i dessa rör definieras själva av alla andra polymermolekyler i mediet. På det här sättet, modellen fångar hur rörligheten för varje enskild makromolekyl begränsas av alla andras rumsliga fördelning. I denna bild, det enda sättet att ta loss ett sådant huggormsbo är att dra enskilda fibrer ur sina begränsande rör, eftersom rörelse ortogonal mot rörväggarna inte är möjlig.

"Våra omfattande datasimuleringar, dock, föreslå en mycket annan typ av polymerdynamik för biopolymerer, "säger Frey." Vi observerar inte invecklade rörelser hos enskilda polymerer. Istället, vi finner relativt snabbt, kollektiv omorganisation av rören, vilket resulterar i avskiljning av polymerkedjor. "Enligt författarna, dynamiken liknar den hos glasliknande material. Denna typ av beteende är inte baserat på de oberoende rörelserna hos enskilda polymermolekyler, men härrör från interaktioner mellan polymerer på mycket större skalor. Detta leder till kollektiv rörelse av alla polymerkedjor i ett lokalt grannskap, så att hela virvaret börjar reda ut sig, trassliga kedjor är upprullade, den täta bollen lossnar, och nya vägar genom labyrinten skapas.

"Vi har utvecklat ett nytt teoretiskt koncept som kan redogöra för den kollektiva dynamiken och återger resultaten från våra simuleringar, "säger Frey." Våra fynd kommer i grunden att förändra nuvarande antaganden om relevansen av kollektiva effekter, inte bara i biopolymerlösningar utan potentiellt även i andra mjukmaterialsystem. "De teoretiska förutsägelserna från den nya modellen borde vara ganska enkla att testa experimentellt i system som involverar antingen biopolymerer eller kolnanorör. Lang och Frey har redan visat att data från deras simuleringar stämmer helt överens med resultaten från en studie om kolnanorör publicerade av en holländsk-amerikansk forskargrupp.