پژوهشگران دانشگاه رایس فیزیک پنهان شکلگیری گره در سیالات را کشف میکنند
این کشف میتواند به پیشرفت پژوهش DNA و مواد نسل بعدی منجر شود
گرهها در همهجا دیده میشوند — از هدفونهای گرهخورده تا رشتههای DNA که داخل ویروسها بسته شدهاند — اما چگونگی اینکه یک رشتهٔ تنها بدون برخورد یا تحریک خارجی خود را گره بزند، همچنان معمایی دیرینه در فیزیک ماده نرم است.
اکنون، تیمی از پژوهشگران دانشگاه رایس، دانشگاه جورجتاون و دانشگاه ترنتو در ایتالیا، مکانیزم فیزیکی شگفتانگیزی را کشف کردهاند که توضیح میدهد چگونه یک رشتهٔ منفرد — حتی اگر کوتاه یا سفت باشد و نتواند بهسادگی دور خود حلقه بزند — میتواند هنگام فرو رفتن در یک سیال تحت نیروی گرانشی قوی، گره بگیرد. این کشف که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، بینش جدیدی در فیزیک دینامیک پلیمرها فراهم میکند و پیامدهایی از درک رفتار DNA تحت محدودیت تا طراحی مواد نرم نسل آینده و ساختارهای نانو دارد.
«بهطور ذاتی دشوار است که یک رشتهٔ تنها و منفرد بهتنهایی گره بزند»، گفت سیبانی لیزا بیسوال، نویسندهٔ مسئول، رئیس دپارتمان مهندسی شیمی و زیستمولکولی دانشگاه رایس و استاد ویلیام م. مککاردل در مهندسی شیمی. «نکتهٔ شگفتانگیز این مطالعه این است که مکانیزمی بهطور شگفتانگیز ساده و زیبا نشان میدهد که بهوسیلهٔ نیروهای تصادفی، در حین تهنشینی در یک سیال تحت نیروی گرانشی قوی، میتواند رشته گره بگیرد.»
با استفاده از شبیهسازیهای دینامیک براونی، پژوهشگران نشان دادند که هنگامی که یک رشتهٔ نیمهانعطافپذیر در یک سیال ویسکوز سقوط میکند — مشابه شرایط در سانتریفیوژ فوقالعاده — جریانهای هیدرودینامیکی دوربرد میتوانند رشته را خم کرده و بههم پیچند. این جریانها بخشی از رشته را بهصورت سر فشرده متمرکز میسازند و بقیه را بهصورت دمچهای کشیده میگذارند، بهگونهای که پیکربندیای ایجاد میشود که امکان عبور حلقهها و قفل شدن در گرههای پایدار را میدهد.
«ما دریافتیم که این گرهها صرفاً ظاهر نمیشوند، بلکه از طریق یک سلسلهمراتب پویا تکامل مییابند، سفتتر میشوند و بهتوپولوژیهای پایدارتر بازآرایی میشوند، تقریباً مانند فرآیند آنیلینگ»، گفت فرید مکینتاش، نویسندهٔ همآیند و استاد J.S. Abercrombie در مهندسی شیمی و زیستمولکولی و استاد شیمی، فیزیک و نجوم در دانشگاه رایس. «این مکانیزم نگاهی نوین به این میدهد که ساختارهای پیچیده چگونه میتوانند تحت جریان و نیرو خود‑سازماندهی کنند.»
شبیهسازیها نشان دادند که میدانهای گرانشی قویتر هم احتمال و هم پایداری شکلگیری گره را افزایش میدهند و رشتههای انعطافپذیرتر بهراحتی انواع گستردهای از گرهها را میسازند. در نیرویهای بالا، گرهها برای دورههای طولانیتری ادامه مییابند و توسط کشش داخل رشته که ناشی از هیدرودینامیک و اصطکاک بین بخشهاست، تثبیت میشوند — که به سامانه امکان میدهد به پیکربندیهای پیچیده و طولانیعمر دست پیدا کند.
«وقتی برای اولینبار پیکربندیهای گرهدار پایدار را در شبیهسازیهایمان مشاهده کردم، شگفتزده شدم»، گفت لوکاس اچ.پی. کونها، نویسندهٔ اصلی و دانشجوی دکترای پیشین دانشگاه رایس که در حال حاضر بهعنوان پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه جورجتاون مشغول به کار است. «رمزگشایی از مکانیزمهای این پدیده سفری هیجانانگیز بود که شواهد قویای از نقش کلیدی هیدرودینامیک در مقیاسهای کوچک نشان داد.»
گرهزنی پلیمرها نقش حیاتی در سامانههای زیستی ایفا میکند. پروتئینها و سایر ماکرومولکولها میتوانند گرههایی بسازند که رفتار و عملکرد آنها را درون سلولها تحت تأثیر قرار میدهد. در برخی موارد این گرهها مفیدند؛ در موارد دیگر بیاثر هستند؛ و در برخی دیگر، مانند DNA ژنومی، میتوانند مضر باشند. درک چگونگی شکلگیری و تثبیت این گرهها، پایهای نوین برای تفسیر فرآیندهایی چون بستهبندی ژنوم، الکتروفورز و انتقال از طریق نانوپرو فراهم میآورد.
«این مطالعه درک ما از چگونگی تأثیر نیروها و جریانها بر رفتار پلیمرها را عمیقتر میکند»، گفت بیسوال. «این راه را برای طراحی مواد جدیدی باز میکند که ویژگیهای مکانیکیشان توسط توپولوژیشان برنامهریزی میشود و نه صرفاً ترکیبشان.»
فراتر از زیستشناسی، این یافتهها میتوانند به روشهای نوظهور برای ساخت نانومواد راهنمایی کنند، جایی که کنترل گرهزدن میتواند به ساختارهای الگودار یا تقویتشده مکانیکی منجر شود؛ و همچنین میتواند بینشی برای بهبود ابزارهای جداسازی و تشخیص در مقیاس بزرگ که در آزمایشگاهها و صنایع بهکار میروند، فراهم آورد.
«گرهزدن تحتتأثیر میدان ممکن است روزی جایگزین مقیاسپذیر برای آنچه پژوهشگران در حال حاضر «کارخانههای گره» مینامند، ارائه دهد»، گفت مکینتاش. «با یادگیری چگونگی بهرهگیری از این فرآیند طبیعی، میتوانیم فناوریهای جدیدی را تصور کنیم که بهجای دستکاری دستی یا شیمیایی، از هیدرودینامیک و خود‑سازماندهی استفاده میکنند.»
این تنها مزیت نیست: «بهطور کلی، گرهها در پلیمرهای بسیار طولانی ظاهر میشوند و برای سفت و ثابت شدن به پلیمرهای حتی طولانیتر نیاز دارند»، گفت لوکا توبیانا، همنویسنده و استادهار در دانشگاه ترنتو. «مطالعه ما رویکردی تجربیقابلدسترس برای بهدستآوردن گرههای طولانیعمر، سفت و پیچیده در پلیمرهای بسیار کوتاه پیشنهاد میکند و امکان برقراری ارتباط بهتر بین پیشبینیهای نظری گره و نظریه پلیمر با مشاهدات تجربی را فراهم میآورد.»
این پژوهش توسط بنیاد ملی علوم (National Science Foundation) – بخشهای پژوهش مواد، مرکز فیزیک نظری زیست‑بیولوژی و ریاست فناوری، نوآوری و مشارکتها حمایت شد.