Los polímeros son moléculas largas hechas de bloques de construcción moleculares conectados periódicamente llamados monómeros. Algunos polímeros se encuentran naturalmente en forma de anillos cerrados, por ejemplo, como plásmidos, hebras de ADN cíclico en bacterias, o para cadenas de proteínas suficientemente largas. Imagínese sumergiendo tales objetos en un solvente constreñido entre dos placas paralelas. Hablamos de cortar el sistema cuando tiramos de estas placas en direcciones antiparalelas.

Bajo cizalla Los polímeros presentan diferentes modos dinámicos:"Tumbling" significa su balanceo y volteo, comparable al movimiento de una moneda lanzada al aire. "Tank-Treading" significa la rotación de un anillo de polímero, comparable a una moneda rodante o una cadena de bicicleta. Además de estos modos, los anillos bajo cizallamiento experimentan estiramiento en la dirección del flujo, comparable a una banda de goma estirada. Como dicha banda de goma el polímero estirado está bajo tensión. Rotación-, Se suponía que el comportamiento de estiramiento y alineación eran los únicos efectos de cizallamiento en los polímeros de anillo, hasta ahora.

Descubierto un nuevo modo de movimiento

Al simular estos polímeros anulares, los autores del estudio descubrieron una fase completamente nueva:la llamada "fase de inflación". Por encima de una cierta velocidad de corte, observaron una hinchazón no solo en la dirección del flujo, pero también en el ortogonal:el anillo estirado "abierto". Es más, el anillo se estabilizó, inclinado en el espacio con respecto al flujo impuesto. Las volteretas y volteretas típicas de antes se suprimieron casi por completo. Polímeros de diferente forma topológica, como cadenas lineales, estrellas y microgeles, no presentan tal comportamiento. Cuando los científicos aumentaron aún más la velocidad de corte, eventualmente volviendo a caer, y el polímero alineado con el flujo como se esperaba.

El efecto se vuelve aún más pronunciado cuando se observan polímeros de anillos anudados. Esto se visualiza mejor atando un nudo a una cuerda y luego conectando ambos extremos. Entonces ya no se puede desatar el nudo sin cortar la cuerda. Tal nudo se aprieta bajo cizalla. En el contexto de la fase de inflación, los científicos encontraron que el nudo apretado sirve como una especie de ancla de estabilización adicional y suprime el pisar el tanque y también el volteo.

Los polímeros pueden autoestabilizarse

El equipo debe su descubrimiento a un método de simulación llamado dinámica de colisión de múltiples partículas, que da cuenta de los vórtices y corrientes locales. En el caso específico de polímeros anulares sometidos a cizallamiento, Las partículas de disolvente se reflejan en los extremos estirados y el cuerpo del anillo. Esto conduce a la colisión de dos corrientes opuestas de partículas de disolvente reflejadas en la dirección del flujo cerca del centro de masa del polímero. La corriente resultante se escapa hacia los lados, lo que hace que el anillo se abra y, por lo tanto, la hinchazón observada no solo en la dirección del flujo, sino también en la vorticidad, es decir, la dirección ortogonal al flujo. pero paralelo a las placas cortadas. El campo de flujo resultante en relación con el cizallamiento impuesto también es responsable de la autoestabilización del polímero.

El efecto observado muestra la importancia de considerar las interacciones y fluctuaciones hidrodinámicas para analizar el comportamiento de los polímeros en forma de anillo. Se prevé que los nuevos hallazgos se empleen en estudios futuros sobre métodos de separación para anillos de diferentes tamaños y polímeros de diferentes formas topológicas.