Deformazione conformazionale di un multi

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19984 (2022) Citare questo articolo

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Viene presentata una nuova classe di deformazione per una struttura ad anello planare costituita da corpi elastici e giunti sottili. Nel dimostrare l'accorciamento circonferenziale dell'anello elastico multi-giunto, emergono diverse deformazioni tridimensionali (3D) attraverso deflessioni a tratti e rotazioni discrete. Queste morfologie 3D corrispondono alle conformazioni dei sistemi di anelli molecolari. Attraverso l'elaborazione delle immagini, le ricostruzioni 3D delle strutture deformate sono caratterizzate da numero, geometria e imperfezioni iniziali dei segmenti corporei. Chiariamo dalle misurazioni che la deformazione conformazionale senza autostress risulta da un assemblaggio ciclico di flessione a compressione di corpi elastici con elevata rigidità a taglio. Le intuizioni meccaniche acquisite possono applicarsi al controllo del polimorfismo esibito dalle strutture cicliche su scale.

Le strutture sottili, per le quali la dimensione della sezione trasversale è molto più piccola della dimensione della sezione longitudinale, sono onnipresenti in molte discipline. Si trovano ovunque su diverse scale di lunghezza, dai cavi sub-oceanici alle aste e corde di dimensioni umane, ai tessuti microstrutturali vegetali e animali, ai pilastri e catene molecolari come i nanotubi di carbonio e gli acidi desossiribonucleici a doppio filamento (DNA). La loro unica e grande deformabilità ha ricevuto attenzione dalla comunità scientifica, compreso il campo della meccanica teorica e applicata, e anche attualmente i problemi associati alla complessa deformazione in configurazioni tridimensionali (3D) vengono affrontati in aree come l'instabilità a compressione da Architettura 2D in 3D1,2,3, l'avvolgimento di filamenti elastici dispiegati sul substrato4,5, la meccanica dei nodi6,7 e le aste di crescita 3D8,9,10,11,12.

La deformazione di un corpo elastico snello è descritta concisamente dal modello di asta elastica rappresentato da un singolo parametro di lunghezza dell'arco che prescrive la linea centrale13,14. A seconda dell'asta elastica si hanno quattro tipi di deformazioni, ovvero allungamento/compressione, taglio, flessione e torsione, alle quali si abbinano le forze assiali e di taglio ed i momenti flettenti e torcenti indotti all'interno dell'asta. L'aggrovigliamento di cavi tesi e attorcigliati è un tipico esempio di grandi deformazioni 3D di aste elastiche inestensibili senza taglio, denominate collettivamente aste di Kirchhoff. Le coppie terminali e le basse tensioni applicate ad una configurazione inizialmente diritta inducono deformazione elicoidale, per cui la modalità di deformazione passa dalla torsione alla deflessione 3D15,16,17. Dopo che un'elica inizia a formarsi localmente, una torsione sempre maggiore produce un anello di eliche come una formazione autocontattante perpendicolare all'asse longitudinale. Questa contorsione porta ad una fase finale chiamata plettonema; ad esempio, una fase plettonemica emerge nelle eliche superavvolte del DNA18,19,20,21.

Lo stiramento e il taglio non trascurabili causano, dopo l'instabilità elicoidale uniforme, un altro tipo di deformazione caratterizzata da autocontatto, nota come solenoide22, che comporta la torsione della lunghezza d'onda più corta nella direzione longitudinale. La formazione elicoidale uniforme e la localizzazione post-instabilità, inclusa la fase plettonemica o solenoidale, possono essere simulate utilizzando la teoria dell'asta elastica e la sua estensione. La teoria estesa descrive la modalità locale di deformazione per estensione assiale e taglio nonché quella di flessione e torsione23,24. Sebbene comprendere questo fenomeno di hockling sia significativo dal punto di vista della deformazione 3D di strutture di ordine superiore, la morfologia a spirale risultante è mal riprodotta, in generale, dati i parametri di controllo specifici come l'azione esterna di torsione e allungamento terminale.

Il controllo delle diverse morfologie strutturali soggette a grandi deformazioni è di interesse nei vari campi come illustrato in precedenza. In questo contesto, ci concentriamo sulla modellazione che riduce i limitati gradi di libertà nella deformazione per ottenere un sistema controllabile per la morfologia 3D. Presentiamo un altro concetto di struttura snella soggetta a forze di contrazione convenzionali che possono essere deformate in modelli 3D numerabili. Il concetto riguarda la mobilità del groviglio di segmenti cardine interconnessi, collettivamente indicati come modello del groviglio25. Il modello a groviglio comprende una serie di corpi rigidi a gomito, collegati in un anello da cerniere rotanti. La possibile morfologia corrisponde alla conformazione di un sistema di anelli molecolari, che è descritto dal modello stereo di Dreiding o attraverso analisi conformazionali26,27.