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Meldung

Mittwoch, 07. Februar 2018

Entwirren statt schlängeln

Weiche Materie

Aktinfilament in Bewegung. Bild: C. Hohmann, NIM

LMU-Wissenschaftler widerlegen eine gängige Theorie zur Dynamik von Polymerschmelzen und zeigen: Für Biopolymere machen kollektive Effekte den Weg frei.

Was haben Seidenfasern, Kunststoffe und DNA gemeinsam? Sie gehören alle zur sogenannten weichen Materie, einer Stoffgruppe, die flexible aber trotzdem stabile Strukturen ausbildet. Weiche Materie kann nur bedingt einem bestimmten Aggregatzustand – fest oder flüssig – zugeordnet werden, da ihre Eigenschaften stark von ihrer Umgebung abhängen und sie durch Temperaturänderungen leicht verformt werden kann. Diese Strukturdynamik ist wesentlich für ihre Funktion. Die LMU-Physiker Professor Erwin Frey und Dr. Philipp Lang haben nun eine gängige Theorie zur Erklärung der Fließeigenschaften weicher Materie widerlegt und ein alternatives Modell entwickelt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature Communications.

Die Wissenschaftler haben sich in ihrer Arbeit insbesondere mit Schmelzen aus sogenannten semi-flexiblen bis steifen Polymeren befasst – zu dieser Gruppe gehören wichtige Biomoleküle, etwa DNA oder Aktin-Filamente, die essenzielle Bestandteile des Zellskeletts sind. Polymere sind langkettige Moleküle (Makromoleküle), die aus zahlreichen aneinandergereihten Grundbausteinen bestehen. In einer Polymerlösung sind diese Polymerketten wie Wollfäden ineinander verknäuelt. Das in den 1970er-Jahren entwickelte Reptationsmodell erklärt die Fließeigenschaften von Polymerlösungen damit, dass jede Polymerkette in diesem Geflecht wie in einer Röhre gefangen ist, durch die sie sich schlangenartig windet. Gebildet wird die Röhre durch die anderen Polymerketten. Die Bewegungsmöglichkeiten der Polymere sind also durch die räumlichen Gegebenheiten eingeschränkt. Bildlich gesprochen bedeutet dies, dass das Knäuel nur entwirrt werden kann, indem einzelne Fäden entlang der Röhre herausgezogen werden – eine Bewegung quer zur Röhre ist nicht möglich.

„Unsere umfangreichen Computersimulationen deuten nun aber für Biopolymere auf eine völlig neue Dynamik hin“, sagt Frey. „Wir haben keine schlangenartigen Windungen der Biopolymere beobachtet, stattdessen kam es relativ rasch zu einer Reorganisation des Röhrensystems und einer Entwirrung der Polymerketten“. Nach Ansicht der Wissenschaftler ähnelt diese Dynamik derjenigen von glasähnlichen Stoffen: Sie beruht nicht auf der Einzelbewegung eines Polymers, sondern es findet Interaktion mit der ganzen Nachbarschaft statt. Dadurch bewegen sich alle Ketten in der Umgebung kollektiv, sodass sich das Knäuel insgesamt umsortiert, auflockert und Passagen frei macht.

„Wir haben ein neues theoretisches Konzept entwickelt, das diese kollektive Dynamik erklären kann und die Ergebnisse der Simulationen gut widerspiegelt“, sagt Frey. „Unsere Ergebnisse werden die derzeitigen Annahmen zu kollektiven Effekten in Biopolymerlösungen und potenziell auch in anderen weiche-Materie-Systemen grundlegend verändern.“ Die theoretischen Vorhersagen lassen sich den Forschern zufolge experimentell leicht überprüfen. Infrage kommen dafür sowohl an Studien an Biopolymeren als auch Untersuchungen an Kohlenstoff-Nanoröhrchen. In einem ersten Schritt konnten die Wissenschaftler bereits zeigen, dass ihre Simulationen vollständig mit den Ergebnissen einer niederländisch-amerikanischen Studie an Kohlenstoff-Nanoröhrchen übereinstimmen. [LMU]

Nature Communications 2018

 

 

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