LMU研究人员已经证实了用于解释聚合物溶液动力学的传统理论。他们表明，对于生物聚合物而言，集体效应促进了链的流动性，这让人联想到玻璃状材料的行为。丝线，塑料和DNA有什么共同之处？它们全部由聚合物成分组成，代表了科学家所谓的“软物质”。与硬凝聚物不同，这些材料本质上是柔性的（“软”），但在环境条件下仍然可以形成稳定的结构。因此，软物质不能明确地分类为固体或液体，因为其材料特性对环境参数非常敏感。 - 例如，温度的变化会对它们的变形敏感性产生显着影响。实际上，它们的结构动态是其行为的关键，也是其功能和应用的主要决定因素。在一项新研究中，LMU物理学家Erwin Frey教授和博士聚合物解决方案，并开发了替代模型。这项新研究发表在在线期刊Nature Communications上。
Frey和Lang专注于半柔性到刚性聚合物的动力学 - 包括DNA的生物聚合物，或作为细胞骨架主要成分的肌动蛋白丝和微管属于的组。所有聚合物由连接在一起形成长大分子链的重复亚基组成。在溶液中，这些大分子彼此错综复杂地缠结在一起，就像绒毛丛中的纤维一样。在20世纪70年代，开发了一个模型来描述它们的动态。在这种蠕动模型中，每个聚合物分子被视为被限制在柔性管内，通过它以波动的方式移动，就像草中的众所周知的蛇（因此得名）。这些管的壁本身由介质中的所有其他聚合物分子限定。通过这种方式，该模型捕获了每个单个大分子的迁移率如何受到所有其他大分子的空间分布的限制。在该图中，解开这种蛇形巢的唯一方法是将单根纤维从其限制管中拉出，因为与管壁正交的运动是不可能的。
“然而，我们广泛的计算机模拟表明，生物聚合物具有非常不同类型的聚合物动力学，”Frey说。“我们没有观察到单个聚合物的复杂运动。相反，我们发现管子的相对快速的集体重组，导致聚合物链的解缠结。” 这组作者说，动力学类似于玻璃状材料。这种行为不是基于单个聚合物分子的独立运动，而是基于更大规模的聚合物之间的相互作用。这导致所有聚合物链的集体运动在一个当地社区，整个混乱开始自我解决，纠结的链被解开，密集的球松开，并创建通过迷宫的新路径。
“我们已经开发出一种新的理论概念，可以解释集体动力学并重现我们模拟中获得的结果，”Frey说。“我们的研究结果将从根本上改变目前关于集体效应相关性的假设，不仅在生物聚合物解决方案中，而且可能在其他软物质系统中。” 新模型的理论预测应该很容易在涉及生物聚合物或碳纳米管的系统中进行实验测试。事实上，Lang和Frey已经证明，他们模拟得到的数据与荷兰裔美国研究小组发表的碳纳米管研究结果完全一致。
