Físicos teóricos liderados pelo professor Kurt Binder e Dr. Arash Nikoubashman da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) na Alemanha usaram simulações de computador para estudar o arranjo de polímeros rígidos em cavidades esféricas. Esses sistemas confinados desempenham um papel importante para uma ampla gama de aplicações, tais como a fabricação de nanopartículas para distribuição direcionada de drogas e para nanomateriais sob medida. Além disso, os sistemas investigados podem fornecer insights cruciais sobre o funcionamento interno dos problemas biológicos, onde os efeitos do confinamento são cruciais, como o empacotamento de DNA de fita dupla em capsídeos de bacteriófagos e a automontagem de filamentos de actina nas células.

As simulações demonstraram que cadeias totalmente flexíveis são distribuídas homogeneamente dentro da cavidade esférica, com uma superfície não estruturada na esfera confinante. Contudo, quando a rigidez das correntes foi aumentada, os polímeros alinhados em paralelo com as extremidades da cadeia ordenadas em um plano equatorial comum. Ao mesmo tempo, estruturas complexas surgiram na superfície da esfera. Em baixas densidades e rigidez intermediária, as cadeias formaram padrões bipolares (ver Figura 1), como eles são conhecidos de cebolas e globos. À medida que a densidade e a rigidez aumentaram ainda mais, a textura mudou para uma estrutura semelhante a uma bola de tênis com quatro pólos distintos (consulte a Figura 2).

Esses estados altamente incomuns se originam da interação complexa entre o empacotamento e a flexão das cadeias de polímero individuais. Por um lado, é entropicamente favorável para cadeias de polímero rígidas se alinharem paralelamente umas às outras. Esta fase chamada nemática é, por exemplo, crucial para a funcionalidade dos visores de cristal líquido. Por outro lado, o confinamento esférico impede tal ordem em todo o sistema de modo que as correntes próximas à superfície da esfera tenham que se dobrar, o que é energeticamente desfavorável. As estruturas resultantes são, então, o compromisso dessas restrições.

Essas simulações proporcionaram a primeira oportunidade de observar e estudar a automontagem de polímeros rígidos em cavidades esféricas. Os pesquisadores em torno do Dr. Arash Nikoubashman e do Professor Kurt Binder estão confiantes de que seu trabalho ajudará a elucidar o comportamento de sistemas moles sintéticos e naturais em confinamento.