Os polímeros são moléculas longas feitas de blocos de construção moleculares periodicamente conectados chamados monômeros. Alguns polímeros ocorrem naturalmente na forma de anéis fechados, por exemplo, como plasmídeos, fitas de DNA cíclico em bactérias, ou para cadeias de proteínas suficientemente longas. Imagine imergir esses objetos em um solvente restrito entre duas placas paralelas. Falamos sobre o cisalhamento do sistema quando puxamos essas placas em direções antiparalelas.

Sob cisalhamento, polímeros apresentam diferentes modos dinâmicos:"Tombando" significa balançar e virar, comparável ao movimento de uma moeda que foi lançada ao ar. "Tank-Treading" significa a rotação de um anel de polímero, comparável a uma moeda rolante ou a uma corrente de bicicleta. Além desses modos, anéis sob cisalhamento experiência que se estende na direção do fluxo, comparável a um elástico esticado. Como disse elástico, o polímero alongado está sob tensão. Rotação-, comportamento de alongamento e alinhamento eram considerados os únicos efeitos de cisalhamento em polímeros em anel - até agora.

Novo modo de movimento descoberto

Ao simular esses polímeros em anel, os autores do estudo descobriram uma fase completamente nova - a chamada "fase de inflação". Acima de uma certa velocidade de cisalhamento, eles observaram um inchaço não apenas na direção do fluxo, mas também no ortogonal:o anel esticado "aberto". Além disso, o anel se estabilizou, inclinado no espaço em relação ao fluxo imposto. As cambalhotas e tombos anteriormente típicas foram quase completamente suprimidas. Polímeros de uma forma topológica diferente, como cadeias lineares, estrelas e microgéis, não apresentam tal comportamento. Quando os cientistas aumentaram ainda mais a taxa de cisalhamento, eventualmente a queda voltou a acontecer, e o polímero alinhado com o fluxo conforme esperado.

O efeito se torna ainda mais pronunciado quando se olha para polímeros em anel com nós. Isso é melhor visualizado dando um nó em uma corda e conectando as duas pontas. O nó não pode mais ser desatado sem cortar o cordão. Esse nó é apertado sob cisalhamento. No contexto da fase de inflação, os cientistas descobriram que o nó apertado serve como uma espécie de âncora de estabilização adicional e suprime o pisar do tanque, bem como o tombamento.

Polímeros podem se auto-estabilizar

A equipe deve sua descoberta a um método de simulação chamado dinâmica de colisão de múltiplas partículas, que é responsável por vórtices e riachos locais. No caso específico de polímeros em anel sob cisalhamento, as partículas de solvente são refletidas nas extremidades esticadas e no corpo do anel. Isso leva à colisão de duas correntes opostas de partículas de solvente refletidas na direção do fluxo perto do centro de massa do polímero. O fluxo resultante escapa para os lados, o que faz com que o anel se abra e, portanto, o inchaço observado não apenas na direção do fluxo - mas também na direção da vorticidade - que é a direção ortogonal ao fluxo, mas paralelo às placas cortadas. O campo de fluxo resultante em relação ao cisalhamento imposto também é responsável pela autoestabilização do polímero.

O efeito observado mostra a importância de se considerar as interações e flutuações hidrodinâmicas para a análise do comportamento de polímeros em forma de anel. As novas descobertas devem ser empregadas em estudos futuros sobre métodos de separação para anéis de diferentes tamanhos e polímeros de diferentes formas topológicas.