Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

想象一根长而柔韧的线，漂浮在充满水的细窄管子中。这是一个聚合物，是由数千个微小珠子连接而成的巨型分子，广泛存在于从我们细胞内的DNA到日常生活中使用的塑料等各种事物中。当这样一个分子被挤入一个比其自然尺寸窄得多的空间时，它无法像在宽敞的房间里那样随意盘绕；它必须沿着管子的长度伸展开来，使其自身对齐。科学家们长期以来一直对这些分子在不只是静止不动，而是被积极地推动或拉动时的行为表现出浓厚兴趣。理解这种运动对于从生物学（细胞必须打包和解开遗传物质）到技术领域（研究人员试图通过尺寸对分子进行分类以进行DNA测序）的各个领域都至关重要。核心问题是：当一个固体物体以不同的速度将一个聚合物推过一个狭窄通道时，聚合物的形状和运动会发生什么变化？

西安大略大学的一个研究小组通过在一个正方形通道内创建单个聚合物链的详细计算机模拟，试图回答这个问题。他们在链的一端放置了一个大的实心球体，并向前推动它，模拟活塞驱动管中的绳索。该通道宽25纳米，聚合物由255个珠子组成。为了使模拟尽可能真实，研究人员包含了链周围的流体，允许水流绕过珠子和球体，从而产生复杂的电流和阻力。他们测试了两种不同类型的珠子间相互作用：一种是珠子之间像同极磁铁一样互相排斥，另一种是它们具有非常微弱的吸引力，类似于某些分子之间那种微弱的粘附。通过在很宽的范围内改变推动球体的速度，他们观察了链的反应，特别观察了珠子变得多么密集以及它们的活动程度如何。

在极慢的速度下，聚合物的行为非常类似于它在自由漂浮时的状态。珠子以一种随机、跳跃的方式移动，链在整个长度上保持相对均匀的密度。然而，随着球体开始移动得更快，发生了剧烈的变化。一旦速度超过了一个特定的阈值，链的行为就分裂成了两个截然不同的区域。位于推动球体紧后方的链的后端，突然变得极其拥挤。珠子紧密地堆积在一起，几乎不动，仿佛冻结成了一个固体块。相比之下，位于球体前方、远离球体的链的前端，则保持着松散和舒展的状态，珠子移动得既自由又迅速。这创造了一种奇特的两部分状态，即在同一个单分子上，一个致密的拥堵区域与一个松散的流体区域并存。

研究人员发现，无论珠子是相互排斥还是轻微吸引，这种分裂都会发生。无论珠子是互相推开还是互相吸引，向这种两态条件转变的速度都大致相同。这一观察结果引导科学家得出结论：这种变化并非由珠子的化学性质或材料的相变（如水变成冰）引起的。相反，这种变化纯粹是动态的，是由推动的速度驱动的。当球体移动缓慢时，珠子有足够的时间躲避并展开。但当球体移动得足够快时，珠子无法足够快地移开。它们堆积在球体周围，形成了一个交通拥堵，珠子被邻居困住，无法自由移动。

为了准确了解这个拥堵内部发生了什么，团队仔细观察了链是如何折叠的。在低速时，链形成了出现并消失得很快的小型临时褶皱。但随着速度增加超过阈值，这些褶皱成长为了更大、更永久的折叠。链开始向后折回自身，在同一狭小空间内创造出环路和平行条纹。这些折叠起到了让珠子排列得更紧密的作用，使得致密区域得以形成。有趣的是，尽管链被挤压和折叠成一个紧密的球体，研究人员并未发现结的存在。链扭转和转弯，但从未缠绕成一个无法解开的结。这表明，这种拥堵效应是由链的物理拥挤和折叠引起的，而不是由复杂结的形成引起的。

研究还将其结果与其他未考虑珠子周围流体运动的模拟进行了比较。在那些更简单的模型中（其中流体被视为静态背景），结果有所不同，有时在高速度下会出现结的形成。研究人员发现，当他们包含了真实的流体运动时，行为发生了变化，且没有形成结。这突显了流体运动的重要性：球体推动它前方的水，而链推动水向后流，从而创造出一种复杂的流动，有助于在链被压缩的同时保持其不缠结。研究结果表明，狭窄通道中的聚合物拥堵是一个稳健的现象，它取决于速度和受限程度，而非分子的特定化学细节。

最终，研究揭示了狭窄通道中的聚合物并不会简单地均匀压缩。相反，它经历了一个剧烈的转变，分离成一个致密的拥堵尾部和一个松散的流动头部。这是因为推动的速度压倒了珠子扩散和重新排列的能力。致密区域的特征是珠子被其邻居紧紧地“囚禁”在笼中，几乎不动，而松散区域则保持流体和活跃状态。这种在既有排斥也有吸引的珠子模拟中都能观察到的行为，指向了一个基本的动态极限，即链的运动是由施加的力的速度所决定的。这项工作为理解复杂分子在压力下的行为提供了更清晰的图景，为改进在微小通道中对DNA和其他生物分子进行分类和分析的技术提供了见解。