Les chercheurs de LMU ont réfuté la théorie conventionnelle utilisée pour expliquer la dynamique des solutions polymères. Ils montrent que pour les biopolymères, les effets collectifs facilitent la mobilité des chaînes, qui rappelle le comportement des matériaux vitreux.

Que font les fils de soie, les plastiques et l'ADN ont-ils en commun ? Ils sont tous constitués de constituants polymères et sont représentatifs de ce que les scientifiques appellent la « matière molle ». Contrairement à la matière condensée dure, ces matériaux sont intrinsèquement flexibles ('soft'), mais peut néanmoins former des structures stables dans les conditions ambiantes. D'où, la matière molle ne peut être catégorisée sans équivoque comme solide ou liquide, car ses propriétés matérielles sont très sensibles aux paramètres environnementaux. – Les changements de température peuvent avoir un effet marqué sur leur susceptibilité à la déformation, par exemple. En effet, leur dynamique structurelle est la clé de leur comportement et le déterminant majeur de leurs fonctions et applications. Dans une nouvelle étude, Les physiciens du LMU, le professeur Erwin Frey et le Dr Philipp Lang, ont réfuté la théorie conventionnelle utilisée jusqu'à présent pour expliquer les caractéristiques rhéologiques (c'est-à-dire leur réponse aux contraintes mécaniques externes) des solutions de polymères, et développé un modèle alternatif. La nouvelle étude apparaît dans le journal en ligne Communication Nature .

Frey et Lang se sont concentrés sur la dynamique des polymères semi-flexibles à rigides - le groupe auquel les biopolymères, y compris l'ADN, ou les filaments d'actine et les microtubules qui sont un composant majeur du cytosquelette appartiennent. Tous les polymères sont constitués de sous-unités répétitives qui sont liées entre elles pour former de longues chaînes macromoléculaires. En solution, ces macromolécules sont étroitement enchevêtrées les unes avec les autres, comme les fibres des touffes de duvet. Dans les années 1970, un modèle a été développé pour décrire leur dynamique. Dans ce modèle de reptation, chaque molécule de polymère est considérée comme étant confinée à l'intérieur d'un tube flexible à travers lequel elle se déplace de manière ondulatoire, comme le serpent proverbial dans l'herbe (d'où le nom). Les parois de ces tubes sont elles-mêmes définies par toutes les autres molécules de polymère du milieu. De cette façon, le modèle capture comment la mobilité de chaque macromolécule individuelle est restreinte par la distribution spatiale de toutes les autres. Sur cette photo, la seule façon de démêler un tel nid de vipères est de retirer les fibres individuelles de leurs tubes de confinement, car un mouvement orthogonal aux parois du tube n'est pas possible.

"Nos simulations informatiques approfondies, cependant, suggèrent un type de dynamique polymère très différent pour les biopolymères, " dit Frey. "Nous n'observons pas de mouvements alambiqués de polymères individuels. Au lieu, on trouve relativement rapide, réorganisation collective des tubes, ce qui se traduit par le démêlage des chaînes polymères." Selon les auteurs, la dynamique ressemble à celle des matériaux semblables au verre. Ce type de comportement n'est pas basé sur les mouvements indépendants de molécules de polymère individuelles, mais dérive d'interactions entre polymères à des échelles beaucoup plus grandes. Cela conduit à un mouvement collectif de toutes les chaînes polymères dans un voisinage local, de telle sorte que tout le fouillis commence à se trier, les chaînes enchevêtrées sont démêlées, la boule dense se détend, et de nouveaux chemins à travers le labyrinthe sont créés.

« Nous avons développé un nouveau concept théorique capable de rendre compte de la dynamique collective et de reproduire les résultats obtenus dans nos simulations, " dit Frey. " Nos découvertes changeront fondamentalement les hypothèses actuelles concernant la pertinence des effets collectifs non seulement dans les solutions de biopolymères, mais potentiellement aussi dans d'autres systèmes de matière molle. " Les prédictions théoriques faites par le nouveau modèle devraient être assez faciles à tester expérimentalement dans des systèmes impliquant soit des biopolymères, soit des nanotubes de carbone. Lang et Frey ont déjà montré que les données issues de leurs simulations sont en parfait accord avec les résultats d'une étude sur les nanotubes de carbone publiée par un groupe de recherche néerlando-américain.