16世纪航行工具的见解帮助物理学家创造复杂的聚合物结构

扫描电子显微镜图像显示在球形配置（左侧）中的聚合物;添加新溶剂时，球体扭曲并变成细长的扭曲主轴（右右）。在主轴的顶部（中心面板）是一个微米螺旋。

从花粉颗粒的复杂模式到鹦鹉螺壳的对数螺旋，生物学充满了复杂的图案，形状和几何形状。许多这些错综复杂的结构在生物学功能中起着重要作用，但在没有最先进的设备或昂贵和耗费过程和材料的实验室中可能难以创建。

一项新的研究描述了由于16世纪的导航工具的见解，如何将球体转化为扭曲的主轴。研究人员展示了聚合物如何将被称为洛拓的螺旋结构，其具有比人头发宽度小的十倍的复杂性。今天（2019年10月10日）在物理审查信中，该研究由宾夕法尼亚大学研究生Helen Ansell，Postdoc Daeseok Kim，以及艺术家和科学学院的教授Randall Kamien和Eleni Katifori进行了合作，与Teresa Lopez合作进行-LeonÉcoleSupérieuredeMeathiqueet de Chimie Industrielles de la Ville de Paris（Espci）。

在ESPCI来到Penn之前在这个项目上工作的Kim受到了其他研究的启发，表明当放置在不同的溶剂中时，聚合物和液晶的混合物在新的形状上采用了新的形状。这是一个也是可逆和可重复的变化，几乎没有能量导致形状变化。

为了了解Kim在实验室中看到的有趣构象变化，他找出了理论主义者，他们可以帮助理解聚合物的几何形状如何引起扭曲和合同。在看到由Kim收集和分析的显微图像和数据后，Ansell初步了解主轴的结构可能是什么：一个洛像。

洛像模型的曲线图，显示了球体如何换成细长形状。

更常见的是螺旋线，洛像形式是沿着恒定角度横跨球体的弧形。在整个16岁的世纪里，水手使用这些线条来导航，让他们将指南针设置为恒定的轴承，以便他们的船不必改变轴承。

“如果这是这种情况，我们试图P出来，”安塞尔说，如果她的假设是正确的，则说明调查。“我们认为我们发现了这些遗漏，所以我们不得不比较比较它与数据相反的内容。”

然后，ANSELL开发了一种数学模型，该模型描述了球形如何使用洛像粒子的几何形状作为起点而伸长和扭曲。通过将她理论的结果与Kim产生的数据进行比较，她能够表明改变溶剂导致聚合物收缩，这导致其形状扭曲，因为聚合物链沿着球体的经度线变短。

在锭子的顶部是一个微米螺旋，比人发的宽度小近一百次。创造小型通常需要昂贵的方法和设备的人造模式，但这种使用粗尺寸起始材料进行自组装的小型结构的方法更简单。

聚合物Loxodrome是最新的发现，揭示了在化学和几何形状之间的交叉区交叉进入Kamien集团的兴趣。Kamien说，生物学中的许多相互作用，如蛋白质折叠，免疫应答，甚至气味，通常被描绘为化学键，但强调几何形状也驱使生物学发生的大部分内容。

“想想蛋白质，”凯撒说，“你有这些不同的氨基酸，他们以不同的方式吸引，但是当你完成时，你有这个巨大的球，有这个小口袋可以抓住残留物，所以你几何上觉得它。海伦的解释是完全几何：它不涉及任何关于绑定工作方式的任何事实。“

对于金，该研究是研究其他生物系统中独特结构的令人兴奋的第一步。通过设计新类型的聚合物颗粒并在不同的条件下测试它们，希望了解有关如何改造的函数的更多信息，尤其是在扭曲和合同的系统中。“我们可以通过模仿类似的拓扑模型来研究一些生物质，”他说，“我们可以在自然界中解决或研究一些复杂的问题。”

现在，完全巧合的是，Ansell的努力为另一个不相关的项目奠定了基础，她已经被困在一段时间内的一段时间，这也似乎有一个洛像乐队解决方案。

“他们刚出现，”她说扭曲的主轴形状。

“当巴斯特说，运气有利于准备的思想，”凯恩加。“现在，我们正在欣赏他们。”

参考：“穿线主轴：手性液晶聚合物微粒的几何研究“由海伦S. Ansell，Dae Seok Kim，Randall D. Kamien，Eleni Katifori和Teresa Lopez-Leon，2019年10月10日，物理审查信件.DOI：
10.1103 / physrevlett.123.157801