Физики из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне вместе с коллегами из Дармштадта и Дрездена исследовали, как двигаются скопления гибких полимерных цепочек, которые способны самостоятельно двигаться. Они обнаружили новые физические законы, которые объясняют поведение не только синтетических материалов, но и живых систем — например, клубков червей или щупалец медуз.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

Оказалось, что активное движение отдельных элементов приводит к неожиданному эффекту: вместо того чтобы распутываться, система становится жестче. Это похоже на то, как земляные черви, сбиваясь в клубок, не могут выбраться, или как щупальца львиной гривы медузы спутываются в плотную массу. То же самое происходит в микромире — например, внутри клетки, где нити белков переплетаются в подвижные структуры.

Обычно поведение полимеров описывают с помощью модели «трубки»: считается, что цепочка хаотично двигается внутри воображаемого канала, который образуют соседние цепи. За эту теорию Пьер-Жиль-де Женн получил Нобелевскую премию в 1991 году. Но когда полимеры не просто пассивно дрейфуют, а активно двигаются (как черви или щупальца), старые законы перестают работать.

Активные полимеры — это гибкие цепочки молекул (или даже живые организмы, как черви), которые не просто хаотично двигаются из-за температуры, а самостоятельно расходуют энергию для движения.

Ученые провели масштабные компьютерные симуляции и выяснили, что активные системы подчиняются другим математическим зависимостям. Чем длиннее цепочки, тем сильнее они «запирают» сами себя — и вся структура становится тверже. Это нелогично: казалось бы, активное движение должно помогать распутыванию, но на деле все наоборот.

Почему это важно

• Поможет создать «умные» материалы, которые будут менять жесткость по команде.
• Объясняет, как живые организмы (например, черви) формируют устойчивые скопления.

Мы ожидали, что активность поможет цепям быстрее освобождаться, но все оказалось сложнее, — говорит доктор Давиде Бреони, ведущий автор исследования.

Практическое применение лежит в области адаптивных материалов: представьте покрытие, которое становится жестким при ударе, или медицинские импланты, меняющие свойства в зависимости от нагрузки. Также это поможет в разработке мягких роботов — их «щупальца» смогут надежно захватывать предметы без сложной механики.

Отметим, что исследование опирается на компьютерные модели, а не на реальные эксперименты с живыми системами. Хотя симуляции точные, поведение биологических объектов (тех же червей) может зависеть от дополнительных факторов — например, слизи или мышечных сокращений.

Ранее ученые открыли у людей узловой кретинизм.