Узлы встречаются повсюду — от спутанных наушников до нитей ДНК, упакованных внутри вирусов. Но как изолированная нить может завязать узел сама по себе, без столкновений или внешнего воздействия, оставалось загадкой в физике мягких материалов.
Группа исследователей из Университета Райса, Джорджтаунского университета и Университета Тренто в Италии обнаружила удивительный физический механизм, объясняющий, как одиночная нить, даже слишком короткая или жёсткая, чтобы легко обернуться вокруг себя, может сформировать узел при погружении в жидкость под действием сильных гравитационных сил.
Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, даёт новое представление о физике динамики полимеров, что может помочь понять поведение ДНК в ограниченном пространстве, а также спроектировать новые поколения мягких материалов и наноструктур.
«Самостоятельно завязать узел изолированной нити сложно, — говорит Сибани Лиза Бисвал, автор исследования, заведующая кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Университета Райса и профессор химической инженерии имени Уильяма М. Маккарделла. — Замечательно то, что это исследование показывает удивительно простой и элегантный механизм, который позволяет нити формировать узел исключительно из-за стохастических сил при оседании в жидкости под действием сильных гравитационных сил».
Используя моделирование броуновской динамики, исследователи продемонстрировали, что, когда полугибкая нить падает в вязкую жидкость — подобно условиям в ультрацентрифуге, — дальнодействующие гидродинамические потоки могут сгибать и складывать нить саму на себя. Эти потоки концентрируют часть нити в компактную головку, а оставшуюся часть растягивают в хвостовую часть, создавая конфигурацию, которая позволяет петлям пересекаться и фиксироваться в стабильных узлах.
«Мы обнаружили, что узлы не просто появляются, а эволюционируют через динамическую иерархию, уплотняясь и реорганизуясь в более стабильные топологии, почти как процесс отжига», — сказал Фред Маккинтош, соавтор исследования и профессор химической и биомолекулярной инженерии, химии и астрономии в Университете Райса. «Этот механизм предлагает новый взгляд на то, как сложные структуры могут самособираться под действием потока и силы».
Интегративный метод квантовой химии раскрывает тайны современных материалов
Новый вычислительный подход, разработанный в Чикагском университете, обещает пролить свет на некоторые из самых загадочных материалов в мире — от высокотемпературных сверхпроводников до полупроводников солнечных батарей — путём объединения двух давно разделённых научных перспектив.
«В течение десятилетий химики и физики использовали очень разные подходы для изучения материалов. Теперь мы создали строгий способ объединить эти перспективы», — сказала старший автор исследования Лаура Гальярди, профессор кафедры химии и Школы молекулярной инженерии Прицкера. «Это даёт нам новый инструментарий для понимания и, в конечном итоге, проектирования материалов с выдающимися свойствами».
Когда дело доходит до твёрдых тел, физики обычно думают в терминах широких повторяющихся зонных структур, в то время как химики фокусируются на локальном поведении электронов в конкретных молекулах или фрагментах. Но многие важные материалы — такие как органические полупроводники, металлоорганические каркасы и сильно коррелированные оксиды — не вписываются ни в одну из этих схем. В этих материалах электроны часто рассматриваются как перескакивающие между повторяющимися фрагментами, а не распределённые по всему материалу.
«Точное описание электронов на отдельных фрагментах возможно, но тогда вы теряете общую картину того, как заряды перемещаются по материалу», — объяснил Дэниел Кинг, соавтор исследования. «Наш подход объединяет эти две концепции: вы моделируете локальные фрагменты, но также учитываете, как электроны перескакивают между ними».
Новый метод основан на подходе, называемом методом локализованного активного пространства (LAS), первоначально разработанном научным сотрудником Мэтью Хермсом. Расширяя его до периодических твёрдых тел, команда создала гибридный метод, который объединяет локальную квантовую химию с глобальной зонной теорией.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Чтобы доказать эффективность метода, исследователи применили его к нескольким сложным тестовым случаям. Например, цепочки водорода долгое время было трудно смоделировать: классические методы теории функционала плотности классифицируют эти системы как металлы, в то время как более точные подходы утверждают, что они должны вести себя как изоляторы. Новый подход LAS смог правильно показать, как электроны в цепочках водорода придают им свойства изоляторов.
В другом примере команда использовала LAS для моделирования p–n-перехода, фундаментального компонента солнечных батарей и компьютерных чипов. Метод показал, как заряды разделяются и перемещаются по функции при попадании на них света — процесс, который раньше было трудно уловить.
«В качестве доказательства принципа это первый шаг», — сказал Бхавнеш Джангид, аспирант четвёртого курса в группе Гальярди и соавтор исследования. «Мы показали, что наш метод точно передаёт физику. Теперь мы хотим интегрировать другие передовые методы в подход, чтобы продолжать его совершенствовать».
Исследователи рассматривают свой метод как инструмент для понимания существующих материалов и, в конечном итоге, для проектирования новых.
«В основе всех материалов лежит квантовая механика», — сказал Кинг. «Это элегантный шаг к тому, чтобы действительно увидеть, как квантовая механика определяет свойства, которые мы используем в повседневной жизни».