在微观尺度上,世界充满了各种结。普遍存在的聚合物和生物分子,包括 DNA 和蛋白质,都具有长长的丝状结构,这些结构不可避免地会缠结在一起,但随后又会以某种方式解开。这种自发打结和解结——影响蛋白质的化学性质、DNA 的复制以及塑料的机械性能——无法直接观察。但洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家伊莱·本-奈姆(Eli Ben-Naim)找到了一种使用类似银行柜台用来固定笔的金属珠链的简单方法来研究这一过程。
本-奈姆与同事罗伯特·埃克(Robert Ecke)和扎希尔·达亚(Zahir Daya)一起,从当地五金店购买了珠链,将其切割成 30 到 300 珠长的段,并将其打成类似椒盐卷饼的结。然后,他们将这些结放在一个以每秒 13 次的频率振动的板子上,模拟分子的随机碰撞,并观察发生了什么。这些链条扭动着,稳定在许多半稳定的构型中,直到链条的一端滑过并解开了结。平均而言,一个 30 珠的链条需要一秒钟才能挣脱,而 150 珠的链条则需要大约一分钟,但这些结总是会解开。

照片由 Z. Daya、E. Naim 和 R. Ecke/洛斯阿拉莫斯国家实验室拍摄。
解开结的模式仅取决于结的类型,而与长度无关。“一百个珠子或一百万个珠子将具有相同的统计规律,”本-奈姆说。了解缠结的生物分子的构型可以阐明影响从消化到感染的蛋白质折叠。本-奈姆补充说,这个实验也非常美妙:“链条像一条跳舞的蠕虫一样弹跳,所以如果你在半秒钟后看它,它就会完全不同,这本身就具有一种美感。”














