Fysikere får ny indsigt i nanosystemer med sfærisk indeslutning

Teoretiske fysikere ledet af professor Kurt Binder og Dr. Arash Nikoubashman ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland har brugt computersimuleringer til at studere arrangementet af stive polymerer i sfæriske hulrum. Disse afgrænsede systemer spiller en vigtig rolle for en lang række applikationer, såsom fremstilling af nanopartikler til målrettet lægemiddellevering og til skræddersyede nanomaterialer. Desuden, de undersøgte systemer kan give afgørende indsigt i den indre funktion af biologiske problemer, hvor indeslutningseffekter er afgørende, såsom pakning af dobbeltstrenget DNA i bakteriofagkapsider og selvsamling af actinfilamenter i celler.

Simuleringerne har vist, at fuldt fleksible kæder er homogent fordelt inde i det sfæriske hulrum, med en ustruktureret overflade ved den begrænsende kugle. Imidlertid, når kædernes stivhed blev øget, polymererne justeret på en parallel måde med kædeenderne ordnet på et fælles ækvatorialplan. På samme tid, komplekse strukturer opstod på kuglens overflade. Ved lave tætheder og middelstivhed, kæderne dannede bipolære mønstre (se figur 1), som de kendes fra løg og glober. Efterhånden som tætheden og stivheden blev øget yderligere, teksturen ændrede sig til en tennisboldlignende struktur med fire forskellige stænger (se figur 2).

Disse meget usædvanlige tilstande stammer fra det komplekse samspil mellem pakning og bøjning af de individuelle polymerkæder. På den ene side, det er entropisk gunstigt for stive polymerkæder at justere parallelt med hinanden. Denne såkaldte nematiske fase er, for eksempel, afgørende for funktionaliteten af ​​flydende krystalskærme. På den anden side, den kugleformede indeslutning hindrer en sådan orden i hele systemet, så kæderne tæt på kugleoverfladen skal bøjes, hvilket er energimæssigt ugunstigt. De resulterende strukturer er så kompromiset ud af disse begrænsninger.

Disse simuleringer gav den første mulighed for at observere og studere selvsamlingen af ​​stive polymerer i sfæriske hulrum. Forskerne omkring Dr. Arash Nikoubashman og professor Kurt Binder er overbeviste om, at deres arbejde vil bidrage til at belyse adfærden af ​​både naturligt forekommende og syntetiske bløde systemer i indespærring.