Иерархическое формирование узлов полугибких нитей под действием гидродинамики
Используя моделирование броуновской динамики, исследователи продемонстрировали, что когда полугибкая нить падает сквозь вязкую жидкость — условия, аналогичные условиям ультрацентрифугирования, — дальние гидродинамические потоки могут изгибать и складывать нить сама на себя. Эти потоки концентрируют часть нити в компактную головку, растягивая оставшуюся часть в хвостовую часть, создавая конфигурацию, которая позволяет петлям пересекаться и фиксироваться в стабильных узлах. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, дает новое понимание физики динамики полимеров и имеет значение в самых разных областях, от понимания поведения ДНК в условиях ограниченного пространства до разработки мягких материалов и наноструктур следующего поколения.
Рис. Графическое изображение цепочки осадочных отложений, образующей узел. Источник: Университет Райса.
Было обнаружено, что эти узлы не просто появляются, а развиваются в результате динамической иерархии, сжимаясь и реорганизуясь в более стабильные топологии, почти как процесс отжига. Этот механизм открывает новый взгляд на то, как сложные структуры могут самоорганизовываться под действием потока и силы.
Результаты моделирования показали, что более сильные гравитационные поля увеличивают как вероятность, так и стабильность образования узлов, и что более гибкие нити легче формируют широкий спектр типов узлов. При высоких значениях напряженности поля узлы сохраняются в течение длительного времени, стабилизируясь за счет натяжения внутри нити вследствие гидродинамики и трения между сегментами, что позволяет системе достигать сложных и долговечных конфигураций.
Помимо биологических аспектов, эти результаты могут послужить основой для новых подходов к изготовлению наноматериалов, где контроль за образованием узлов может привести к созданию структурированных или механически упрочненных образований, а также могут дать представление о том, как улучшить инструменты крупномасштабного разделения и характеризации, используемые в лабораториях и промышленности.
