Deformação conformacional de um multi

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19984 (2022) Citar este artigo

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Uma nova classe de deformação é apresentada para uma estrutura em laço planar composta por juntas e corpos elásticos delgados. Ao demonstrar o encurtamento circunferencial da alça elástica multiarticulada, diversas deformações tridimensionais (3D) emergem através de deflexões por partes e rotações discretas. Estas morfologias 3D correspondem a conformações de sistemas de anéis moleculares. Através do processamento de imagens, as reconstruções 3D das estruturas deformadas são caracterizadas pelo número, geometria e imperfeições iniciais dos segmentos corporais. Elucidamos a partir de medições que a deformação conformacional sem autotensão resulta de uma montagem cíclica de flexão compressiva de corpos elásticos com alta rigidez de cisalhamento. Os insights mecânicos obtidos podem ser aplicados no controle do polimorfismo exibido pelas estruturas cíclicas nas escalas.

Estruturas delgadas, para as quais a dimensão da seção transversal é muito menor que a dimensão da seção longitudinal, são onipresentes em muitas disciplinas. Eles são encontrados em todos os lugares, em diferentes escalas de comprimento, desde cabos suboceânicos até hastes e cordas de tamanho humano, até tecidos microestruturais de plantas e animais, até pilares e cadeias moleculares, como nanotubos de carbono e ácidos desoxirribonucléicos (DNAs) de fita dupla. A sua grande deformabilidade única tem recebido atenção da comunidade científica, incluindo o campo da mecânica teórica e aplicada, e mesmo actualmente os problemas associados à intrincada deformação em configurações tridimensionais (3D) estão a ser abordados em áreas como a encurvadura por compressão de Arquitetura 2D em 3D1,2,3, o enrolamento de filamentos elásticos implantados no substrato4,5, a mecânica dos nós6,7 e as hastes de crescimento 3D8,9,10,11,12.

A deformação de um corpo elástico delgado é descrita concisamente pelo modelo da haste elástica representado por um único parâmetro de comprimento de arco que prescreve a linha central . Dependendo da haste elástica, existem quatro tipos de deformações, ou seja, estiramento/compressão, cisalhamento, flexão e torção, que são combinadas com as forças axiais e de cisalhamento e os momentos de flexão e torção induzidos no interior da haste. O hockling de cabos esticados e torcidos é um exemplo típico de grandes deformações 3D de hastes elásticas inextensíveis sem cisalhamento, denominadas coletivamente de hastes de Kirchhoff. Os torques terminais e as baixas tensões aplicadas a uma configuração inicialmente reta induzem a flambagem helicoidal, em que o modo de deformação transita da torção para a deflexão 3D . Depois que uma hélice começa a se formar localmente, uma torção cada vez maior produz um laço de hélices como uma formação de autocontato perpendicular ao eixo longitudinal. Essa contorção leva a uma fase final chamada plectonema; por exemplo, uma fase plectonêmica emerge em hélices superenroladas de DNA18,19,20,21.

O estiramento e o cisalhamento não desprezíveis causam, após flambagem helicoidal uniforme, outro tipo de deformação que apresenta autocontato, conhecido como solenóide22, que envolve contorções de menor comprimento de onda na direção longitudinal. A formação helicoidal uniforme e a localização pós-flambagem, incluindo a fase plectonêmica ou solenóide, podem ser simuladas usando a teoria da haste elástica e sua extensão. A teoria estendida descreve a forma local de deformação por meio de extensão axial e cisalhamento, bem como de flexão e torção . Embora a compreensão deste fenômeno hockling seja significativa do ponto de vista da deformação 3D de estruturas de ordem superior, a morfologia enrolada resultante é mal reproduzida, em geral, dados os parâmetros de controle específicos, como a ação externa da torção terminal e do alongamento.

Um controle das diversas morfologias estruturais que sofrem grandes deformações é de interesse para os vários campos, conforme ilustrado anteriormente. Neste contexto, focamos na modelagem que reduza os graus limitados de liberdade na deformação para alcançar um sistema controlável para a morfologia 3D. Apresentamos outro conceito de estrutura esbelta submetida a forças de contração convencionais que é capaz de ser deformada em padrões 3D contáveis. O conceito diz respeito à mobilidade emaranhada de segmentos essenciais interligados, coletivamente referidos como modelo emaranhado25. O modelo emaranhado compreende uma série de corpos rígidos em cotovelo, ligados em um laço por dobradiças giratórias. A morfologia possível corresponde à conformação de um sistema de anéis moleculares, que é descrito pelo modelo estéreo de Dreiding ou por meio de análises conformacionais .