I fisici teorici guidati dal professor Kurt Binder e dal dottor Arash Nikoubashman dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) in Germania hanno utilizzato simulazioni al computer per studiare la disposizione dei polimeri rigidi nelle cavità sferiche. Questi sistemi confinati svolgono un ruolo importante per un'ampia gamma di applicazioni, come la fabbricazione di nanoparticelle per la somministrazione mirata di farmaci e per nanomateriali su misura. Per di più, i sistemi studiati possono fornire approfondimenti cruciali sul funzionamento interno dei problemi biologici in cui gli effetti di confinamento sono cruciali, come il confezionamento del DNA a doppio filamento nei capsidi dei batteriofagi e l'autoassemblaggio dei filamenti di actina nelle cellule.

Le simulazioni hanno dimostrato che le catene completamente flessibili sono distribuite omogeneamente all'interno della cavità sferica, con una superficie non strutturata in corrispondenza della sfera di confinamento. Però, quando la rigidità delle catene fu aumentata, i polimeri si allineavano parallelamente alle estremità della catena ordinate su un piano equatoriale comune. Allo stesso tempo, strutture complesse sono emerse sulla superficie della sfera. A bassa densità e rigidità intermedia, le catene formavano schemi bipolari (vedi Figura 1), come sono conosciuti da cipolle e globi. Man mano che la densità e la rigidità aumentavano ulteriormente, la trama è cambiata in una struttura simile a una palla da tennis con quattro poli distinti (vedi Figura 2).

Questi stati altamente insoliti derivano dalla complessa interazione tra l'impaccamento e la piegatura delle singole catene polimeriche. Da una parte, è entropicamente favorevole che le catene polimeriche rigide si allineino parallelamente l'una all'altra. Questa cosiddetta fase nematica è, ad esempio, cruciale per la funzionalità degli schermi a cristalli liquidi. D'altra parte, il confinamento sferico impedisce un tale ordine in tutto il sistema in modo che le catene vicine alla superficie della sfera debbano piegarsi, che è energeticamente sfavorevole. Le strutture risultanti sono quindi il compromesso di questi vincoli.

Queste simulazioni hanno fornito la prima opportunità di osservare e studiare l'autoassemblaggio di polimeri rigidi in cavità sferiche. I ricercatori del Dr. Arash Nikoubashman e del professor Kurt Binder sono fiduciosi che il loro lavoro aiuterà a chiarire il comportamento dei sistemi morbidi sia naturali che sintetici in confinamento.