De um saco plástico humilde a asas de avião ultraleves, polímeros estão por toda parte. Essas moléculas são longas cadeias de átomos que desempenham muitos papéis para o bem e para o mal, desde a energia fotovoltaica orgânica até a poluição por plástico indestrutível. Os polímeros são úteis na forma líquida, também:a diferença entre purê de tomate e ketchup é apenas 0,5 por cento da goma xantana, que é um polímero feito de açúcar. O ketchup é espesso, mas não pegajoso, graças às cadeias de xantana que são tão longas que se interpenetram e formam uma teia emaranhada que resiste ao fluxo. O mesmo princípio também sustenta aplicações de alta tecnologia, como impressão a jato de tinta.

É possível diminuir a quantidade de aditivos espessantes sem comprometer seu efeito no fluxo, o que economizaria custos e minimizaria o impacto ambiental. Conectar as extremidades de três cadeias lineares a um único ponto resulta em uma configuração chamada polímero em estrela. Devido a esta arquitetura ramificada, teias de polímeros estelares são dramaticamente mais emaranhadas do que seus primos lineares da mesma massa. Para explicar como funciona esse emaranhamento, considere o conceito de um passeio aleatório. Imagine que você está fazendo uma caminhada e joga um jogo:jogue uma moeda quatro vezes e dê um passo à esquerda para cada cara, e um passo certo para todas as caudas. Na maioria das vezes, você acabará dois passos longe do ponto de partida. Na verdade, se multiplicarmos a distância final por ela mesma, 2x2 =4, é igual ao número de etapas aleatórias. Esta é a lei da difusão, e governa o movimento de pequenas moléculas como a água.

Para polímeros, temos que dar um passeio aleatório para dimensões superiores. Imagine que você está em uma caminhada novamente, mas desta vez, voce traz cem amigos, e para segurança, todos vocês se ligam com uma corda. Cada membro começa a jogar o jogo de caminhada aleatória, mas a corda tem alguma folga, então leva um tempo para você sentir a atração de toda a equipe. Este tipo de movimento é um passeio aleatório, embutido em outro, caminhada aleatória mais lenta. Aqui, 4x4 =16 etapas aleatórias são necessárias para mover uma distância de duas etapas. Próximo, imagine centenas de equipes de corda misturadas tão densamente que só têm espaço para subir ou descer na linha de sua própria equipe. O efeito da multidão nos leva a 16x16 =256 passos. Você consegue adivinhar quantos passos seriam necessários ao adicionar um galho extra no meio de cada equipe de corda? Dica:não é 256x256 =65536. São necessárias impressionantes 65536x65536 =4,3 bilhões de tentativas aleatórias para se afastar apenas dois passos.

Este resultado foi mostrado em um estudo recente "5-D Entanglement in Star Polymer Dynamics, "por Airidas Korolkovas publicado em Teoria Avançada e Simulações , um novo jornal com foco em avanços na ciência da modelagem. Um algoritmo de computador exclusivo foi inventado para capturar os bilhões de etapas necessárias para polímeros emaranhados. Ele roda em uma GPU de alta velocidade e aproveita o mapeamento de textura. Originalmente, esse recurso foi projetado para videogames, mas aqui, foi reaproveitado para calcular as forças moleculares dentro de uma pequena gota de polímero. Usando um modelo de física simplificado, esta simulação é executada centenas de vezes mais rápido do que o código tradicional. Ele abre novos horizontes nas escalas de tempo que podem ser abordadas na computação científica. Isso pode expandir ainda mais as fronteiras da última geração de supercomputadores, como o recém-inaugurado Summit em Oak Ridge National Lab, EUA, que tem quase 30, 000 GPUs.

O efeito do emaranhamento de dimensões superiores pode ser observado na vida real usando um instrumento chamado eco de spin de nêutrons. Esta máquina atira minúsculas partículas subatômicas, chamados nêutrons, e ouve o eco de sua rotação nuclear à medida que se espalham, ou ricocheteia na amostra de polímero. Um excelente exemplo é a linha de luz IN15 no Institut Laue-Langevin, França, onde o emaranhamento de polímeros lineares foi descoberto pela primeira vez. Graças às atualizações constantes e às novas instalações que estão por vir, como a European Spallation Source na Suécia, uma prova experimental da previsão de simulação para polímeros estelares pode em breve estar ao nosso alcance. Uma combinação de computação de alto desempenho e espalhamento de nêutrons é uma ferramenta poderosa de descoberta de novos materiais que melhoram nossa qualidade de vida e respeitam o meio ambiente.