美国莱斯大学对强重力下单纤维流体中打结机制研究
绳结现象普遍存在——从缠绕的耳机线到病毒内部紧密盘绕的DNA链——然而，一根孤立的细长纤维如何在不发生碰撞或不受外界...
绳结现象普遍存在——从缠绕的耳机线到病毒内部紧密盘绕的DNA链——然而，一根孤立的细长纤维如何在不发生碰撞或不受外界干扰的情况下自发打结，一直是软物质物理学中一个长期未解的谜题。
最近，由莱斯大学、乔治城大学以及意大利特伦托大学的研究人员组成的团队，揭示了一种出人意料的物理机制，解释了在强重力作用下，即便是过短或过硬的单根纤维，也能在流体中形成绳结。该成果发表于《物理评论快报》，为聚合物动力学研究提供了全新的视角，对理解受限空间中DNA的行为、设计下一代软材料与纳米结构等方面具有广泛影响。
“一根孤立的长丝要在自身上打结，本质上是困难的，”通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程系主任、化学工程William M. McCardell讲席教授Sibani Lisa Biswal表示，“这项研究的突出之处在于，它揭示了一种简洁而优雅的机制：在强重力作用下，纤维通过流体沉降时，仅凭随机力即可促使打结发生。”
研究团队通过布朗动力学模拟发现，当半柔性纤维在粘性流体中下落时（类似超速离心条件），长程流体动力作用能够弯曲并折叠纤维，使其自我缠绕。这些流动会将部分纤维聚集为紧凑的“头部”，同时将其余部分拉伸为“尾部”，从而形成一种允许环状结构交叉并锁定为稳定绳结的构型。
“我们发现这些绳结并非随机出现，而是通过动态的层级结构逐步演变，逐渐收紧并重组为更稳定的拓扑形态，类似退火过程，”共同通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程系J.S. Abercrombie讲席教授、化学、物理与天文学教授Frederick MacKintosh指出，“这一机制为理解流动与力场中复杂结构的自组装提供了新视角。”
模拟结果表明，更强的重力场会提升绳结形成的概率与稳定性，而更柔韧的纤维则容易形成多种类型的绳结。在高场强条件下，绳结可维持较长时间，流体动力与纤维段间摩擦所产生的张力使其稳定，从而使系统能够达成复杂且持久的拓扑构型。
“最初在模拟中观察到稳定的打结构型时，我感到非常惊讶，”第一作者、前莱斯大学博士生、现任乔治城大学博士后Lucas H. P. Cunha回忆道，“揭示这一现象背后的机制是一段激动人心的探索历程，它强有力地证明了流体动力学在微观尺度上的关键作用。”
聚合物打结在生物系统中扮演重要角色。蛋白质与其他大分子可形成影响其在细胞内行为与功能的绳结。某些情况下，这类绳结具有益处；另一些情况下则呈中性；而在某些情境下（如基因组DNA），它们可能有害。理解绳结如何形成与稳定，为阐释基因包装、电泳及纳米孔传输等过程奠定了新基础。
“这项研究深化了我们对力与流动如何塑造聚合物行为的认识，”Biswal强调，“它也为设计具有可编程拓扑结构——而不仅仅是依赖组分——从而调控力学性能的新材料开辟了道路。”
除了生物学领域的意义，该发现还可为新兴纳米材料制备方法提供思路：通过控制打结，有望构建图案化或力学增强的结构。同时，它也可能助力改进实验室与工业中用于分离与表征的大型工具。
“场驱动打结未来或许能提供一种可扩展的替代方案，取代目前研究人员所称的‘打结工厂’，”MacKintosh展望道，“通过学习利用这一自然过程，我们可以设想出基于流体动力学与自组装、而非依赖人工或化学操控的新技术。”
此外，该机制还具有另一项重要优势：“通常，绳结出现在极长的聚合物中，且需要更长的链才能达到紧致与稳定，”共同作者、特伦托大学副教授Luca Tubiana补充说明，“我们的研究提出了一种实验上可行的方法，能在极短的聚合物中获得持久、紧致且复杂的绳结，这有助于更好地将绳结理论与聚合物理论预测同实验观测联系起来。”
本研究获得了美国国家科学基金会材料研究处、理论生物物理学中心以及技术创新与合作处的支持。
最近，由莱斯大学、乔治城大学以及意大利特伦托大学的研究人员组成的团队，揭示了一种出人意料的物理机制，解释了在强重力作用下，即便是过短或过硬的单根纤维，也能在流体中形成绳结。该成果发表于《物理评论快报》，为聚合物动力学研究提供了全新的视角，对理解受限空间中DNA的行为、设计下一代软材料与纳米结构等方面具有广泛影响。
“一根孤立的长丝要在自身上打结，本质上是困难的，”通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程系主任、化学工程William M. McCardell讲席教授Sibani Lisa Biswal表示，“这项研究的突出之处在于，它揭示了一种简洁而优雅的机制：在强重力作用下，纤维通过流体沉降时，仅凭随机力即可促使打结发生。”
研究团队通过布朗动力学模拟发现，当半柔性纤维在粘性流体中下落时（类似超速离心条件），长程流体动力作用能够弯曲并折叠纤维，使其自我缠绕。这些流动会将部分纤维聚集为紧凑的“头部”，同时将其余部分拉伸为“尾部”，从而形成一种允许环状结构交叉并锁定为稳定绳结的构型。
“我们发现这些绳结并非随机出现，而是通过动态的层级结构逐步演变，逐渐收紧并重组为更稳定的拓扑形态，类似退火过程，”共同通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程系J.S. Abercrombie讲席教授、化学、物理与天文学教授Frederick MacKintosh指出，“这一机制为理解流动与力场中复杂结构的自组装提供了新视角。”
模拟结果表明，更强的重力场会提升绳结形成的概率与稳定性，而更柔韧的纤维则容易形成多种类型的绳结。在高场强条件下，绳结可维持较长时间，流体动力与纤维段间摩擦所产生的张力使其稳定，从而使系统能够达成复杂且持久的拓扑构型。
“最初在模拟中观察到稳定的打结构型时，我感到非常惊讶，”第一作者、前莱斯大学博士生、现任乔治城大学博士后Lucas H. P. Cunha回忆道，“揭示这一现象背后的机制是一段激动人心的探索历程，它强有力地证明了流体动力学在微观尺度上的关键作用。”
聚合物打结在生物系统中扮演重要角色。蛋白质与其他大分子可形成影响其在细胞内行为与功能的绳结。某些情况下，这类绳结具有益处；另一些情况下则呈中性；而在某些情境下（如基因组DNA），它们可能有害。理解绳结如何形成与稳定，为阐释基因包装、电泳及纳米孔传输等过程奠定了新基础。
“这项研究深化了我们对力与流动如何塑造聚合物行为的认识，”Biswal强调，“它也为设计具有可编程拓扑结构——而不仅仅是依赖组分——从而调控力学性能的新材料开辟了道路。”
除了生物学领域的意义，该发现还可为新兴纳米材料制备方法提供思路：通过控制打结，有望构建图案化或力学增强的结构。同时，它也可能助力改进实验室与工业中用于分离与表征的大型工具。
“场驱动打结未来或许能提供一种可扩展的替代方案，取代目前研究人员所称的‘打结工厂’，”MacKintosh展望道，“通过学习利用这一自然过程，我们可以设想出基于流体动力学与自组装、而非依赖人工或化学操控的新技术。”
此外，该机制还具有另一项重要优势：“通常，绳结出现在极长的聚合物中，且需要更长的链才能达到紧致与稳定，”共同作者、特伦托大学副教授Luca Tubiana补充说明，“我们的研究提出了一种实验上可行的方法，能在极短的聚合物中获得持久、紧致且复杂的绳结，这有助于更好地将绳结理论与聚合物理论预测同实验观测联系起来。”
本研究获得了美国国家科学基金会材料研究处、理论生物物理学中心以及技术创新与合作处的支持。
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