Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Locker oder fest: Wenn Knoten auf Polymerringen sitzen

28.03.2018

Knoten begegnen uns täglich im Alltag. In der Natur finden sich Knoten regelmäßig auf Polymeren, also auf chemischen Verbindungen, die aus Ketten oder verzweigten Molekülen bestehen. Polymere sind von größter Wichtigkeit in der Biologie – Stichwort DNA –, aber genauso relevant für die Entwicklung von Kunststoffen oder anderen Materialien in der Chemie und Materialforschung. PhysikerInnen um Christos Likos von der Universität Wien haben unterschiedliche Polymerringe analysiert, unter wechselnden Bedingungen simuliert und publizieren die Ergebnisse aktuell in der renommierten Fachzeitschrift ACS Macro Letters.

Ob beim Binden von Schuhbändern oder dem Verpacken von Geschenken: Jeder Mensch ist mit dem einfachsten Knotentyp, dem Kleeblatt- oder Trefoilknoten, vertraut, wenn auch nicht zwangsläufig unter diesem Namen. Eine Schnur mit einem solchen Trefoil wird, mathematisch betrachtet, erst dann zu einem Knoten, wenn man die beiden Enden miteinander verbindet – der Knoten kann dann nicht mehr aufgelöst werden, ohne den Ring zu zerschneiden.


Ein Trefoil-Knoten unter starker Scherung, mit Hydrodynamik, in seinem delokalisierten, gelockerten Zustand. Der als Knoten erkannte Bereich ist rot markiert, der Rest des Rings ist schwarz.

Copyright Maximilian Liebetreu


Ein Trefoil-Knoten unter starker Scherung, mit Hydrodynamik, in seinem lokalisierten, festgezogenen Zustand. Der als Knoten erkannte Bereich ist rot markiert, der Rest des Rings ist schwarz.

Copyright Maximilian Liebetreu

In der Natur treten Knoten auf Polymeren regelmäßig auf – umso wahrscheinlicher, je länger diese sind. Von besonderer Bedeutung sind beispielsweise Knoten auf viraler DNA, welche das Austreten des Knotens aus der Viruskapsel stark beeinflussen. Wie also verhalten sich solche mikroskopischen Objekte in einer gescherten Flüssigkeit?

Dieser Frage haben sich Maximilian Liebetreu und Christos Likos von der Universität Wien sowie Marisol Ripoll vom Forschungszentrum Jülich gewidmet. Insbesondere die Unterschiede zwischen geknoteten und ungeknoteten Ringen standen im Zentrum der Forschung, unter Berücksichtigung hydrodynamischer Wechselwirkungen.

Die Relevanz und der Einfluss dieser hydrodynamischen Wechselwirkungen zeigen sich bereits bei ungeknoteten Polymerringen: Unter starker Scherung des Lösungsmittels des Polymers wird der Ring entlang der Flussrichtung gestreckt. Teilchen des Lösungsmittels werden dann an den beiden hufeisenförmigen Seiten des gestreckten Rings reflektiert und erzeugen einen Rückfluss, welcher den Ring senkrecht zur Flussrichtung öffnet. Dieser Effekt verschwindet in Abwesenheit hydrodynamischer Wechselwirkungen.

Ein ähnliches Ergebnis konnten die ForscherInnen im Fall des Trefoil-Knotens reproduzieren. Bei fehlender Hydrodynamik zieht sich ein solcher Knoten mit wachsender Scherung immer fester und wird damit der Ring-Topologie ähnlicher.

Mit Hydrodynamik wechselt der Knoten dagegen zwischen zwei Zuständen hin und her: Einerseits kann sich der auf dem Ring sitzende Knoten festziehen; das Objekt verhält sich dann im Wesentlichen wie ein ungeknoteter Ring. Andererseits kann sich der Knoten weiten, wobei das Lösungsmittel einen entscheidenden Beitrag zur Lockerung des Knotens leistet. In diesem Fall verhält sich das Objekt wie zwei ineinander verhakte Ringe.

"Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung eines Verfahrens zur Trennung geknoteter und ungeknoteter Ringe beitragen", so Maximilian Liebetreu, uni:docs-Stipendiat der Universität Wien und Erstautor der Studie. Der Großteil aller Simulationen wurde am Vienna Scientific Clusters (VSC) durchgeführt.

Publikation in ACS Macro Letters:
Maximilian Liebetreu, Marisol Ripoll und Christos N. Likos: Trefoil Knot Hydrodynamic Delocalization on Sheared Ring Polymers. ACS Macro Letters 2018.
DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00059

Weitere Informationen:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsmacrolett.8b00059

Stephan Brodicky | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Berichte zu: Abwesenheit Forschungszentrum Jülich Hydrodynamik Knoten Polymers Relevanz Ring

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der Suche nach Universal-Grippeimpfstoffen – Neuraminidase unterschätzt?
21.06.2018 | Paul-Ehrlich-Institut - Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel

nachricht Organische Kristalle mit Twist und Selbstreparatur
21.06.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Im Focus: Revolution der Rohre

Forscher*innen des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg lassen Rohrleitungen, Schläuchen oder Behältern in Zukunft regelrecht Ohren wachsen. Sie entwickelten ein innovatives akustisches Messverfahren, um Ablagerungen in Rohren frühzeitig zu erkennen.

Rückstände in Abflussleitungen führen meist zu unerfreulichen Folgen. Ein besonderes Gefährdungspotential birgt der Biofilm – eine Schleimschicht, in der...

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der “Stein von Rosetta” für aktive Galaxienkerne entschlüsselt

21.06.2018 | Physik Astronomie

Schneller und sicherer Fliegen

21.06.2018 | Informationstechnologie

Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

21.06.2018 | Innovative Produkte

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics