I polimeri, molecole di sostanze chimiche ripetute, sono alla base di molti materiali:bottiglie d'acqua di plastica, pneumatici in gomma, anche la cheratina nei tuoi capelli. Quando alcuni tipi di polimeri sono sensibili ai cambiamenti di stimoli esterni come la temperatura, diventano utili, in particolare nelle applicazioni biomediche come la somministrazione di farmaci, Ingegneria dei tessuti, e consegna genica.

Un team di ricercatori guidato da Sanket Deshmukh, professore assistente di ingegneria chimica, ha sviluppato un metodo per studiare le strutture dei polimeri che sono sensibili agli stimoli esterni. In un articolo di giornale pubblicato di recente su Journal of Physical Chemistry Letters , il gruppo ha sviluppato una prima nel suo genere, modello computazionale indipendente dalla temperatura per un particolare polimero sensibile alla temperatura. Le traiettorie di simulazione di questo modello computazionale sono state analizzate utilizzando un metodo di apprendimento automatico basato sui dati.

Il gruppo ha scelto il polimero poli(N-isopropilacrilammide), noto anche come PNIPAM, che è sensibile alla temperatura. A differenza della maggior parte dei materiali, questo polimero termosensibile si dissolve in acqua a temperature inferiori a 32 ℃ ed è insolubile a temperature più elevate, il contrario della maggior parte dei materiali. La temperatura alla quale cambia il comportamento del polimero è nota come temperatura di soluzione critica inferiore.

La temperatura della soluzione critica unicamente più bassa del polimero termosensibile può essere alterata, però, incorporando gruppi di atomi che controllano il modo in cui il polimero reagisce alle variazioni della temperatura circostante. L'aggiunta di atomi al polimero termosensibile a cui piace o non piace l'acqua consente al polimero di modificare la sua temperatura di soluzione critica inferiore per avvicinarsi alla temperatura del corpo umano di 37 ℃, prezioso per le applicazioni di somministrazione controllata di farmaci.

Un tipo di modello computazionale che il team di Deshmukh ha sviluppato per il polimero termosensibile è chiamato modello a grana grossa, dove un gruppo di atomi è disposto insieme nel modello in quello che è noto come un tallone. Inoltre, questo è un primo tentativo in assoluto di utilizzare uno specifico approccio di apprendimento automatico basato sui dati, chiamato metodo di scaling multidimensionale non metrico, analizzare le traiettorie di simulazione della dinamica molecolare di un modello a grana grossa di un polimero sensibile alla temperatura.

"Questa analisi mostra la presenza di più stati metastabili di PNIPAM durante la sua transizione conformazionale al di sopra della temperatura di soluzione critica inferiore, che fornisce approfondimenti completamente nuovi su questo processo, " disse Deshmukh.

"Lo sviluppo di modelli accurati a grana grossa è un compito molto impegnativo perché è necessario catturare le interazioni tra il polimero con se stesso e tra il polimero e le molecole d'acqua in modo molto preciso, " ha detto Karteek Bejagam, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Deshmukh e autore principale dello studio. "In particolare, il sottile equilibrio nelle interazioni tra il polimero e l'acqua deve essere catturato con precisione in modo che possa riprodurre il comportamento di solubilità dei polimeri a diverse temperature."

"Sappiamo che il modello funziona, perché ha resistito anche in condizioni variabili, "ha detto Yaxin An, un terzo anno di dottorato studente nel gruppo di Deshmukh. "È fantastico vedere il comportamento come previsto sia sul computer che nella realtà".

Sperimentalmente, è stato riportato che diversi fattori influenzano la temperatura di soluzione critica inferiore del polimero termosensibile. Per esempio, la tatticità della spina dorsale del polimero, un termine che denota una particolare disposizione di molecole, può alterare la temperatura della soluzione critica inferiore osservata nell'intervallo da 17 a 34 ℃.

"Questo nuovo modello a grana grossa di PNIPAM è stato costruito in modo tale da poter mantenere la taciticità del PNIPAM e quindi in grado di catturare gli effetti osservati negli esperimenti di laboratorio, " ha detto Samrendra Singh, uno studioso in visita nel gruppo di Deshmukh.

Questa ricerca ha utilizzato il supercomputer Cori presso il Centro nazionale di calcolo scientifico per la ricerca sull'energia del Dipartimento dell'energia per sviluppare questi modelli. L'ampia convalida del modello è stata effettuata presso Advanced Research Computing presso Virginia Tech.

Attualmente, Il gruppo di Deshmukh sta utilizzando il modello del polimero termosensibile per simulare architetture complesse con l'obiettivo di fornire approfondimenti sulle strutture sulle singole catene polimeriche presenti in questi materiali, che sono altrimenti inaccessibili anche con i progressi esistenti nelle tecniche sperimentali.