D'un modeste sac en plastique à des ailes d'avion ultra-légères, les polymères sont partout. Ces molécules sont de longues chaînes d'atomes qui jouent de nombreux rôles en bien et en mal, du photovoltaïque organique à la pollution plastique indestructible. Les polymères sont utiles sous forme liquide, ainsi :la différence entre la purée de tomate et le ketchup n'est que de 0,5 pour cent de gomme xanthane, qui est un polymère à base de sucre. Le ketchup est épais mais pas collant, grâce à des chaînes de xanthane si longues qu'elles s'interpénètrent et forment une toile enchevêtrée qui résiste à l'écoulement. Le même principe sous-tend également les applications de haute technologie comme l'impression à jet d'encre.

Il est possible de diminuer la quantité d'additifs épaississants sans compromettre leur effet sur l'écoulement, ce qui permettrait de réduire les coûts et de minimiser l'impact environnemental. La connexion des extrémités de trois chaînes linéaires à un seul point donne une configuration appelée polymère en étoile. En raison de cette architecture ramifiée, les nappes de polymères en étoile sont considérablement plus enchevêtrées que leurs cousins ​​linéaires de même masse. Pour expliquer comment fonctionne cet enchevêtrement, Considérons le concept de marche aléatoire. Imaginez que vous êtes en randonnée et que vous jouez à un jeu :lancez une pièce quatre fois et faites un pas à gauche pour chaque face, et un pas à droite pour chaque queue. Vous vous retrouverez le plus souvent à deux pas du point de départ. En réalité, si on multiplie la distance finale par elle-même, 2x2=4, il est égal au nombre de pas aléatoires. C'est la loi de diffusion, et il régit le mouvement de petites molécules comme l'eau.

Pour les polymères, nous devons faire la marche aléatoire vers des dimensions supérieures. Imaginez que vous êtes à nouveau en randonnée, mais cette fois, tu amènes une centaine d'amis, et pour la sécurité, vous vous connectez tous avec une corde. Chaque membre commence à jouer au jeu de marche aléatoire, mais la corde a du mou, il vous faut donc un certain temps pour ressentir l'attraction de toute l'équipe. Ce genre de mouvement est une marche aléatoire, noyé dans un autre, marche aléatoire plus lente. Ici, 4x4=16 pas aléatoires sont nécessaires pour parcourir une distance de deux pas. Prochain, imaginez des centaines d'équipes de cordes toutes si denses qu'elles n'ont que de la place pour monter ou descendre la ligne de leur propre équipe. L'effet de foule nous amène à 16x16=256 pas. Pouvez-vous deviner combien d'étapes seraient nécessaires en ajoutant une branche supplémentaire au milieu de chaque équipe de cordes ? Astuce :ce n'est pas 256x256=65536. Il faut 65536x65536=4,3 milliards de tentatives aléatoires pour s'éloigner de seulement deux pas.

Ce résultat a été montré dans une étude récente "5-D Entanglement in Star Polymer Dynamics, " par Airidas Korolkovas publié dans Théorie avancée et simulations , un nouveau journal axé sur les percées dans la science de la modélisation. Un algorithme informatique unique a été inventé pour capturer les milliards d'étapes nécessaires aux polymères enchevêtrés. Il fonctionne sur un GPU à haute vitesse et tire parti du mappage de texture. Initialement, cette fonctionnalité a été conçue pour les jeux vidéo, mais ici, il a été réutilisé pour calculer les forces moléculaires à l'intérieur d'une petite gouttelette de polymère. En utilisant un modèle physique simplifié, cette simulation s'exécute des centaines de fois plus rapidement que le code traditionnel. Il ouvre de nouveaux horizons sur les échelles de temps qui peuvent être abordées en calcul scientifique. Cela peut encore repousser les frontières de la dernière génération de supercalculateurs, comme le sommet récemment ouvert à Oak Ridge National Lab, ETATS-UNIS, qui en compte près de 30, 000 GPU.

L'effet de l'intrication de dimension supérieure peut être observé dans la vie réelle à l'aide d'un instrument appelé écho de spin neutronique. Cette machine tire de minuscules particules subatomiques, appelés neutrons, et écoute l'écho de leur rotation nucléaire alors qu'ils se dispersent, ou rebondir sur l'échantillon de polymère. Un bon exemple est la ligne de lumière IN15 de l'Institut Laue-Langevin, La France, où l'enchevêtrement de polymères linéaires a été découvert pour la première fois. Grâce aux améliorations constantes et aux nouvelles installations à venir comme la source européenne de spallation en Suède, une preuve expérimentale de la prédiction de la simulation pour les polymères étoiles pourrait bientôt être à portée de main. Une combinaison de calcul haute performance et de diffusion de neutrons est un puissant outil de découverte de nouveaux matériaux qui améliorent notre qualité de vie et respectent l'environnement.