Les polymères sont de longues molécules constituées de blocs de construction moléculaires périodiquement connectés appelés monomères. Certains polymères se présentent naturellement sous la forme d'anneaux fermés, par exemple sous forme de plasmides, brins d'ADN cycliques chez les bactéries, ou pour des chaînes protéiques suffisamment longues. Imaginez plonger de tels objets dans un solvant contraint entre deux plaques parallèles. On parle de cisaillement du système quand on tire ces plaques dans des directions anti-parallèles.

Sous cisaillement, les polymères présentent différents modes dynamiques :"Tumbling" signifie leur balancement et leur retournement, comparable au mouvement d'une pièce de monnaie lancée en l'air. "Tank-Treading" signifie la rotation d'un anneau polymère, comparable à une pièce de monnaie roulante ou à une chaîne de vélo. En plus de ces modes, les anneaux soumis au cisaillement s'étirent dans le sens de l'écoulement, comparable à un élastique étiré. Comme ledit élastique, le polymère étiré est sous tension. Rotation-, le comportement d'étirement et d'alignement étaient supposés être les seuls effets de cisaillement sur les polymères annulaires - jusqu'à maintenant.

Nouveau mode de déplacement découvert

Lors de la simulation de ces polymères cycliques, les auteurs de l'étude ont découvert une phase complètement nouvelle, la « phase d'inflation ». Au-dessus d'une certaine vitesse de cisaillement, ils ont observé un gonflement non seulement dans le sens de l'écoulement, mais aussi dans l'orthogonal :l'anneau étiré « ouvert ». Par ailleurs, l'anneau s'est stabilisé, incliné dans l'espace par rapport au débit imposé. Le retournement et le culbutage autrefois typiques ont été presque complètement supprimés. Des polymères de forme topologique différente, telles que les chaînes linéaires, étoiles et microgels, ne présentent pas un tel comportement. Lorsque les scientifiques ont encore augmenté le taux de cisaillement, la chute finit par s'installer à nouveau, et le polymère aligné avec le flux comme prévu.

L'effet devient encore plus prononcé lorsque l'on regarde les polymères à anneaux noués. Ceci est mieux visualisé en faisant un nœud sur une ficelle, puis en connectant les deux extrémités. Le nœud ne peut alors plus être dénoué sans couper la ficelle. Un tel nœud est tendu sous cisaillement. Dans le cadre de la phase d'inflation, les scientifiques ont découvert que le nœud serré sert en quelque sorte d'ancrage de stabilisation supplémentaire et supprime le foulage du réservoir ainsi que la culbute.

Les polymères peuvent s'auto-stabiliser

L'équipe doit sa découverte à une méthode de simulation appelée dynamique de collision multiparticulaire, ce qui représente les tourbillons et les courants locaux. Dans le cas particulier des polymères annulaires sous cisaillement, les particules de solvant sont réfléchies par les extrémités étirées et le corps de l'anneau. Cela conduit à la collision de deux flux opposés de particules de solvant réfléchies dans le sens de l'écoulement près du centre de masse du polymère. Le flux résultant s'échappe sur les côtés ce qui provoque l'ouverture de l'anneau et donc le gonflement observé non seulement dans le sens de l'écoulement mais aussi du tourbillon, c'est-à-dire la direction orthogonale à l'écoulement, mais parallèle aux plaques cisaillées. Le champ d'écoulement résultant par rapport au cisaillement imposé est également responsable de l'auto-stabilisation du polymère.

L'effet observé montre l'importance de considérer les interactions et les fluctuations hydrodynamiques pour analyser le comportement des polymères annulaires. Les nouvelles découvertes devraient être utilisées dans de futures études sur les méthodes de séparation pour les anneaux de différentes tailles et les polymères de différentes formes topologiques.