Pradedant plastikiniais maišeliais ir baigiant ultra lengvais lėktuvų sparnais – polimerai mus supa visur. Šios molekulės yra ilgos atomų grandinės, chemiškai sujungtos ir naudojamos tokiems tikslams kaip visų mėgiamos organinės saulės energijos panelės. Polimerai mums tarnauja ir skysčio pavidalu: skirtumas tarp kečupo ir pomidorų padažo yra viso labo 0,5% ksantano dervos, kuri yra polimeras gaminamas iš cukraus. Nors ksantanas nėra lipnus, jo molekulės yra tokio ilgio, kad jos tarpusavyje susinarplioja į tinklą kur joms sunku judėti, kas ir nulemia kečupo tirštumą. Lygiai tas pats principas įgalina ir tokias technologijas kaip pvz. rašalinius spausdintuvus.

Siekiant sumažinti gamybos kaštus ir poveikį gamtai, yra galimybė riboti sunaudojamų tirštiklių kiekį, bet tuo pačiu išlaikant jų efektyvumą. Sujungus tris grandines į vieną tašką, gausime polimerą-žvaigždę. Tokie išsišakoję polimerai susinarplioja neapsakomai giliau palyginus su įprastiniais tiesiniais polimerais.

Norint paaiškinti kaip veikia šita painiava, pradėkime nuo to, kas yra aklas žygis (angl. random walk). Tarkime jūs išėjote pasivaikščioti į mišką ir susigalvojote žaidimą: metame monetą keturis kartus ir už kiekvieną herbą žengiame žingsnį į kairę, o už skaičių į dešinę. Vidutiniškai jūs atsidursite dviejų žingsnių atstumu nuo pradinio taško. Tiksliau, jei padauginsime galinį atstumą iš savęs, 2x2=4, atsakymas bus lygus aklų žingsnių skaičiui. Tai yra difuzijos dėsnis, kuris galioja mažoms molekulėms kaip pvz. vanduo.

Polimerų atveju, aklas žygis vyksta aukštesnėse dimensijose. Įsivaizduokite kad jūs ir vėl išėjote į mišką, bet šįkart pasikvietėte šimtą draugų ir kad nė vienas nepasiklystų, saugumo dėlei jūs susirišote virve vienas po kito. Kiekvienas narys pradeda aklo žygio žaidimą, bet jeigu virvė nėra įtempta, jums prireiks laiko kad pajustumėte visos grupės traukimą. Tokia trajektorija yra aklas žygis, inkrustuotas į kitą, lėtesnį aklą žygį. Šiuo atveju jums prireiks 4x4=16 monetos metimų, kad nueitumėte dviejų žingsnių atstumu nuo pradinio taško. Toliau, tarkime kad susirinko šimtai žygiuotojų grupių ir žmonių tankis yra toks didelis, kad jums užtenka vietos eiti tik pirmyn arba atgal pagal savo grupės liniją. Čia jums reikės 16x16=256 aklų žingsnių. Pabandykite atspėti, kiek žingsnių prireiks jei prie kiekvienos virvės vidurio prijungsime trečią šaką? Užuomina: ne, tai ne 256x256=65536. Dabar teks nueiti sunkiai suvokiamus 65536x65536=4.3 milijardus aklų žingsnių, kad atsidurtumėte dviejų žingsnių atstumu nuo pradžios.

Šis rezultatas buvo neseniai paskelbtas Airido Korolkovo moksliniame straipsnyje “5D Entanglement in Star Polymer Dynamics”, naujame Advanced Theory and Simulations žurnale, kuris aprašo mokslo proveržius modelizacijos srityje.

Siekiant apskaičiuoti milijardus žingsnių, reikalingų polimerų-žvaigždžių susinarpliojimo studijoms, buvo išrastas unikalus kompiuterinis algoritmas. Jis dirba su grafikos procesoriais (GPU) ir pilnai išnaudoja jų tekstūros modulius (angl. texture mapping), kurie ligi šiol neturėjo pritaikymo moksliniams skaičiavimams. Tekstūros funkcija iš pradžių buvo suprojektuota video žaidimų grafikai, bet čia ji buvo pritaikyta skaičiuoti molekulinėms sąveikoms mažame polimerų lašiuke. Naudojant patobulintas fizikos lygtis, ši simuliacija veikia šimtus kartų greičiau už įprastą kodą. Ji atveria naujus laiko skalės horizontus kuriuos įmanoma moksliškai apskaičiuoti. Tai dar labiau išplės ribas pasiekiamas su naujausios kartos superkompiuteriais, tokiais kaip Summit, Oak Ridge National Lab (JAV), kur jau įdiegta beveik 30,000 GPU.

Polimerų susinarpliojimas aukštose dimensijose yra išmatuojamas ir realiame gyvenime, naudojant prietaisą NSE (neutron spin-echo). Šis aparatas šaudo mažas subatomines daleles, vadinamas neutronais, ir klausosi jų branduolinio sukinio aido, kai jos atsimuša nuo polimero molekulių. Puikus pavyzdys būtų IN15 linija, Laue-Langevin Institute (Prancūzija), kur pirmą kartą buvo įrodytas tiesinių polimerų susinarpliojimas. Kadangi šie prietaisai yra pastoviai tobulinami, ir yra statomi nauji įrengimai kaip European Spallation Source (Švedija), eksperimentinis patvirtinimas dėl polimerų-žvaigdžių susinarpliojimo gali tapti pasiekiamas artimiausiu metu. Aukšto našumo skaičiavimai ir neutronų sklaidos experimentai yra galinga kombinacija kuri mums padeda atrasti ir suvokti naujas medžiagas, skirtas pagerinti mūsų gyvenimo kokybę ir tausoti gamtą.

Pilną mokslinį straipsnį galite rasti čia.

Kompiuterio kodas ir straipsnio kopija yra laisvai prieinami čia ir čia.

Autorius Dr. Airidas Korolkovas

Komentarai ()