问题

高分子扭结有自动解开的趋势吗?

回答
在我看来,高分子扭结的自动解开,确实是一个挺有意思的现象,并且在很多情况下,它们是有“自我救赎”的倾向的。不过,这可不是那种一瞬间就“砰”一下解开的魔法,而是一个循序渐进、需要时间和环境配合的过程。

首先,我们要明白“扭结”本身在高分子链上的存在。想象一下,一根长长的绳子,你随意地把它绕来绕去,然后一头抓住,它就形成了一个结。高分子链比绳子要复杂得多,它们是无数个单体连接形成的庞然大物,而且在溶液或者熔融状态下,它们是可以自由运动的。这种运动,就是解开扭结的根本动力。

什么叫做“自由运动”呢?就好像你手中握着一根甩面团的湿面条,它的每一个原子、每一个键都在不断地振动、伸缩、弯曲。在溶液中,溶剂分子会对高分子链施加无数次微小的撞击,就像无数只看不见的手在推搡它。在熔融状态下,链段之间自身的动能也会驱使它们重新排列。这些微观的、持续不断的运动,会给链条带来一个“想要舒展”的趋势。

当高分子链形成了一个扭结,就像给绳子打了一个死结。但绳子毕竟是宏观的,而高分子链的“结”通常是在微观层面,由链段的相互缠绕形成的。这些缠绕的链段,虽然被困住了,但它们依然在尝试着摆脱束缚。这种摆脱,是通过链段的局部运动来实现的。

你可以想象一下,如果你手上有一团乱麻,即使你抓着一头,另一头的乱麻也在不断地晃动、试图找到一个更轻松的状态。高分子链的解结也是类似的。链段会尝试着“滑”过彼此,或者通过局部的弯曲、旋转来改变缠绕的方式。这个过程,就像是在玩一个非常复杂的“解绳子”游戏,只不过这个游戏的主角是微观的链段,而游戏规则是物理定律。

环境的温度和溶剂的性质(如果是溶液的话)起着至关重要的作用。温度越高,链段的运动越活跃,解结的速度也就越快。就像热空气会让面条挥舞得更厉害一样。而溶剂的粘度,也会影响链段的运动能力。粘度大的溶剂,就像在泥浆里甩面条,运动会受阻,解结速度自然就会慢下来。

另外,扭结的“紧实度”也很关键。如果只是一个松散的缠绕,高分子链很容易就能找到一个角度,通过简单的局部运动就脱开。但如果是一个非常紧密的、甚至是“死结”一样的缠绕,那么解开的难度就会大大增加,可能需要更长时间或者更大的能量才能实现。

值得注意的是,并非所有的扭结都能被“完全”解开。有时候,一些缠绕可能会因为非常复杂或者链段过于僵硬而长期存在,形成一个相对稳定的“亚稳态”结构。但即便如此,它们的趋势依然是倾向于更松弛、更低能量的状态,也就是尽可能地摆脱那种紧绷的缠绕。

总而言之,高分子扭结并非一成不变,它们在高分子链的固有运动以及环境因素的作用下,确实存在着一个自动解开的趋势。这个趋势体现在链段不断尝试滑移、重排,以达到一个更舒展、更低能量的状态。只不过,这个过程可能很缓慢,也可能受到很多因素的影响,但“解开”的驱动力始终是存在的。

网友意见

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"自动解开的趋势"是不会有的。原因是热力学第二定理:对于一个孤立系统,其内部自发进行的与热相关的过程必然向熵增的方向进行。

耳机塞口袋里,耳机线很容易缠结起来。因为对于耳机线来说,完全不缠结,是一种高度有序的状态,其实是非常难以维持的。从熵的角度来说,耳机线缠绕起来可以有无数种缠绕状态;而耳机线完全不缠结只有一种状态。所以耳机线之间的状态就更容易落到缠绕的情况下。

至于普通的高分子,绝大多数是高度缠绕的,永远不可能分开的一团乱麻。

至于DNA,确实是一个特例。DNA在结构上主要有三种拓朴构型的变化:超螺旋(supercoiling)、纽结(knotting)与连锁(catenation)。能够使DNA在不进行DNA复制与转录的时候,尽量维持其紧密性。反之在转录或复制过程中,这些拓扑构型将会阻碍反应。这个时候就需要一种酶,叫拓朴异构酶(英语:Topoisomerase),先把DNA分子切断,解除缠绕。所以说,DNA分子也没有自动解开纽结的方法,也得找把剪刀先切开算了。

拓朴异构酶可依据其作用方式,而分为两种类型:
第一型拓朴异构酶(Type I topoisomerase):可将一条DNA双股螺旋完全包覆,并以破坏磷酸双酯键的方式切断其中一股DNA,使其产生一个小缺口,此时另一股完整的DNA将会穿过此缺口,之后通道重新黏合。属于这类型的有拓朴异构酶I(topoisomerase I)与拓朴异构酶III(topoisomerase III)等。
第二型拓朴异构酶(Type II topoisomerase):可将一条DNA双股螺旋上的两股DNA皆切断,产生缺口,使另一条双股螺旋能够穿过此缺口,之后再将通道重新黏合。属于这类型的有拓扑异构酶IIα与拓扑异构酶IIβ等。
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