聚合物无处不在！从不起眼的塑料袋到超轻型飞机机翼

概要：通过类比线性聚合物，其嵌入3D网络中随机游动，我们展示了星形聚合物在5D网络中随机游动。

从一个不起眼的塑料袋到超轻型飞机机翼 - 聚合物无处不在。这些分子是长链原子，通过化学连接发挥一些正面作用（有机光伏发电）和负面效应（塑料污染）。聚合物也能够以液体形式使用：番茄泥和番茄酱之间的差异仅为0.5％的黄原胶（一种由糖制成的聚合物）。番茄酱很厚但不粘，这由于黄原胶链的长度使它们相互渗透并形成一个抵抗流动的缠结网。同样的原理也适用喷墨打印等高科技应用。

减少增稠添加剂的量而不影响它们对流动的影响，这将节省成本并最小化对环境影响。如果我们将三个线性链的末端连接到一个点，就形成了星形聚合物。由于这种分支结构，星形聚合物网比相同质量的其它线性结构更为缠绕。为了解释这种缠绕如何起作用，我们从随机游动的概念开始讲起。想象一下，你正在徒步旅行并且玩游戏：抛四次硬币，每个正面向左走一步，每个反面向右走一步。你通常会离起点两步远。实际上，如果我们把最终距离乘以它本身，2x2=4，它就等于随机步数。这是扩散定律，它控制着水等小分子的运动。

对于聚合物，必须随机游动到更高的尺寸。想象一下你再次徒步旅行，但这次你带了100个朋友，为了安全起见，你们都用一根绳子连起来。每个成员都开始玩随机游走游戏，但绳子有些松弛，所以你需要一段时间才能感受到整个团队的拉力。这种运动是一种随机游动嵌入另一种较慢的随机游动中。在这里你需要采取4x4 = 16个随机步骤来移动两步的距离。接下来，想象一下数百个绳索团队密集地混合在一起，以至于你只有自己的空间可以在你自己的团队中来回移动。人群的影响使我们达到16x16 = 256步。你能猜出如果我们在每个绳索组的中间增加一个分支你需要走多少步吗?提示:它不是256x256=65536。它需要一个惊人的65536x65536= 43亿次随机尝试才能走到两步远。

这一结果已在Airidas Korolkovas最近的研究“星聚合物动力学中的5D纠缠”中得到证实，该研究发表于《先进理论与模拟》，一本专注于建模科学突破的新期刊。科学家们发明了一种独特的计算机算法来捕获纠缠聚合物所需的数十亿步骤。它运行在图形处理单元（GPU）上，并利用纹理映射（一种经常被忽视的功能）。最初，这个功能是专为视频游戏设计的，但在这里它已被重新用于计算一点聚合物液滴内的分子力。使用简化的物理模型，此模拟运行速度比传统代码快数百倍。它开辟了科学计算中可以解决的时间尺度的新视野。这可以进一步推动最新一代超级计算机的前沿，例如最近在美国橡树岭国家实验室开设的峰会，它拥有近30,000个GPU。

通过使用一种称为中子自旋回波的仪器，可以在现实生活中观察到更高维缠绕的影响。这台机器射出微小的亚原子粒子，当它们散射或从聚合物样品上反弹时，会听到它们的核自旋的回声。一个典型的例子是法国Laue-Langevin研究所的IN15光束线，在这里首先发现了线性聚合物的缠结。由于不断升级以及瑞典欧洲散裂源等即将推出的新设施，星形聚合物模拟预测的实验证据可能很快就会实现。高性能计算和中子散射的结合是发现新材料的有力工具，可以改善我们的生活质量和环境。

原文来自sciencedaily，原文题目为World speed record for polymer simulations shattered by over a hundred-fold，由材料科技在线汇总整理。