Från en ödmjuk plastpåse till ultralätta flygplansvingar, polymerer finns överallt. Dessa molekyler är långa kedjor av atomer som spelar många roller på gott och ont, från organiska solceller till oförstörbar plastförorening. Polymerer är användbara i flytande form, likaså:Skillnaden mellan tomatpuré och ketchup är bara 0,5 procent av xantangummi, som är en polymer gjord av socker. Ketchup är tjock men inte klibbig, tack vare xantan-kedjor som är så långa att de tränger in i varandra och bildar en intrasslad väv som motstår flöde. Samma princip ligger också till grund för högteknologiska applikationer som bläckstråleutskrift.

Det är möjligt att minska mängden förtjockningstillsatser utan att kompromissa med deras effekt på flödet, vilket skulle spara kostnader och minimera miljöpåverkan. Att ansluta ändarna av tre linjära kedjor till en enda punkt resulterar i en konfiguration som kallas en stjärnpolymer. På grund av denna förgrenade arkitektur, banor av stjärnpolymerer är dramatiskt mer intrasslade än deras linjära kusiner med samma massa. För att förklara hur denna förveckling fungerar, överväga konceptet med en slumpmässig promenad. Föreställ dig att du är på vandring och spelar ett spel:kasta ett mynt fyra gånger och ta ett steg åt vänster för varje huvud, och ett steg rätt för varje svans. Du kommer oftast att hamna två steg från startpunkten. Faktiskt, om vi multiplicerar slutsträckan med sig själv, 2x2=4, det är lika med antalet slumpmässiga steg. Detta är diffusionslagen, och det styr rörelsen av små molekyler som vatten.

För polymerer, vi måste ta den slumpmässiga vandringen till högre dimensioner. Föreställ dig att du är på vandring igen, men den här gången, du tar med hundra vänner, och för säkerhets skull, ni länkar alla ihop med ett rep. Varje medlem börjar spela random walk-spelet, men repet har lite slack, så det tar ett tag för dig att känna dragningen av hela laget. Denna typ av rörelse är en slumpmässig promenad, inbäddad i en annan, långsammare slumpmässig promenad. Här, 4x4=16 slumpmässiga steg krävs för att flytta ett avstånd på två steg. Nästa, Föreställ dig hundratals replag som alla blandas så tätt att de bara har utrymme att röra sig upp eller ner i raden av sitt eget lag. Effekten av publiken tar oss till 16x16=256 steg. Kan du gissa hur många steg som skulle krävas genom att lägga till en extra gren i mitten av varje replag? Tips:det är inte 256x256=65536. Det krävs svindlande 65536x65536=4,3 miljarder slumpmässiga försök för att komma bara två steg bort.

Detta resultat har visats i en nyligen genomförd studie "5-D Entanglement in Star Polymer Dynamics, " av Airidas Korolkovas publicerad i Avancerad teori och simuleringar , en ny tidskrift med fokus på genombrott inom vetenskapen om modellering. En unik datoralgoritm uppfanns för att fånga de miljarder steg som behövs för intrasslade polymerer. Den körs på en höghastighets-GPU och drar fördel av texturmapping. Ursprungligen, den här funktionen är designad för videospel, men här, det har återanvänts för att beräkna molekylära krafter inuti en liten polymerdroppe. Med hjälp av en strömlinjeformad fysikmodell, denna simulering går hundratals gånger snabbare än traditionell kod. Det öppnar nya horisonter på tidsskalorna som kan hanteras i vetenskaplig beräkning. Detta kan ytterligare flytta gränserna för den senaste generationen av superdatorer, som det nyligen öppnade Summit i Oak Ridge National Lab, USA, som har nästan 30, 000 GPU:er.

Effekten av högre dimensionell intrassling kan observeras i verkligheten med hjälp av ett instrument som kallas neutronspin-eko. Denna maskin skjuter små subatomära partiklar, kallas neutroner, och lyssnar på ekot av deras kärnspinn när de sprider sig, eller studsa av polymerprovet. Ett utmärkt exempel är IN15-strållinjen vid Institut Laue-Langevin, Frankrike, där intrasslingen av linjära polymerer först upptäcktes. Tack vare ständiga uppgraderingar och kommande nya anläggningar som European Spallation Source i Sverige, ett experimentellt bevis på simuleringsförutsägelsen för stjärnpolymerer kan snart vara inom räckhåll. En kombination av högpresterande beräkningar och neutronspridning är ett kraftfullt verktyg för upptäckt för nya material som förbättrar vår livskvalitet och respekterar miljön.