Polymerer är långa molekyler gjorda av periodiskt sammankopplade molekylära byggstenar som kallas monomerer. Vissa polymerer förekommer naturligt i form av slutna ringar - till exempel som plasmider, cykliska DNA -strängar i bakterier, eller för tillräckligt långa proteinkedjor. Tänk dig att sänka ned sådana föremål i ett lösningsmedel som ligger mellan två parallella plattor. Vi pratar om att skära systemet när vi drar dessa plattor i parallellriktningar.

Under skjuvning, polymerer har olika dynamiska lägen:"Tumbling" betyder att de svajar och vänder, jämförbar med rörelsen för ett mynt som har kastats i luften. "Tank-Treading":rotation av en polymerring, jämförbar med ett rullande mynt eller en cykelkedja. Förutom dessa lägen, ringar under skjuvupplevelse som sträcker sig i flödesriktning, jämförbar med ett sträckt gummiband. Som sagt gummiband, den sträckta polymeren är under spänning. Rotation-, sträcknings- och inriktningsbeteende antogs vara de enda skjuvningseffekterna på ringpolymerer- fram till nu.

Nytt rörelseläge upptäckt

Vid simulering av dessa ringpolymerer, författarna till studien upptäckte en helt ny fas-den så kallade "inflationsfasen". Över en viss skjuvhastighet, de observerade en svullnad inte bara i flödesriktningen, men också i den ortogonala:den sträckta ringen "öppnade". Vidare, ringen stabiliserade sig, lutas i rymden med avseende på det pålagda flödet. Den tidigare typiska vändningen och tumlingen undertrycktes nästan helt. Polymerer av en annan topologisk form, såsom linjära kedjor, stjärnor och mikrogeler, har inget sådant beteende. När forskarna ökade skjuvhastigheten ytterligare, så småningom slog in igen, och polymeren i linje med flödet som förväntat.

Effekten blir ännu mer uttalad när man tittar på knutna ringpolymerer. Detta visualiseras bäst genom att knyta en knut på en sträng och sedan ansluta båda ändarna. Knuten kan då inte längre lösas upp utan att snöret skärs upp. En sådan knut dras tätt under skjuvning. I samband med inflationsfasen, forskarna fann att den snäva knuten fungerar som ett slags ytterligare stabiliseringsankare och undertrycker tankbana samt tumlar.

Polymerer kan självstabilisera

Teamet är skyldigt sin upptäckt till en simuleringsmetod som kallas kollisionsdynamik med flera partiklar, som står för lokala virvlar och strömmar. I det specifika fallet med ringpolymerer under skjuvning, lösningsmedelspartiklar reflekteras från de sträckta ändarna och ringkroppen. Detta leder till kollision mellan två motsatta strömmar av reflekterade lösningsmedelspartiklar i flödesriktning nära polymerens masscentrum. Den resulterande strömmen släpper ut till sidorna vilket gör att ringen öppnas och därför den observerade svullnaden inte bara i flödes- utan även vorticitetsriktning- det vill säga riktningen vinkelrät mot flödet, men parallellt med de skjuvade plattorna. Det resulterande flödesfältet i förhållande till den påförda skjuvningen är också ansvarig för polymerens självstabilisering.

Den observerade effekten visar vikten av att överväga hydrodynamiska interaktioner och fluktuationer för att analysera beteendet hos ringformade polymerer. De nya resultaten förväntas användas i framtida studier av separationsmetoder för ringar av olika storlekar och polymerer av olika topologiska former.