Teoretiska fysiker under ledning av professor Kurt Binder och Dr Arash Nikoubashman vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland har använt datorsimuleringar för att studera arrangemanget av styva polymerer i sfäriska hålrum. Dessa begränsade system spelar en viktig roll för ett brett spektrum av applikationer, såsom tillverkning av nanopartiklar för riktad läkemedelsleverans och för skräddarsydda nanomaterial. Vidare, de undersökta systemen kan ge avgörande inblick i de inre funktionerna av biologiska problem där inneslutningseffekter är avgörande, såsom förpackning av dubbelsträngat DNA i bakteriofagkapslar och självmontering av aktinfilament i celler.

Simuleringarna har visat att fullt flexibla kedjor är homogent fördelade inuti den sfäriska kaviteten, med en ostrukturerad yta vid den begränsande sfären. Dock, när kedjornas styvhet ökade, polymererna inriktade parallellt med kedjeändarna ordnade på ett gemensamt ekvatorialplan. På samma gång, komplexa strukturer växte fram på sfärytan. Vid låg densitet och mellanliggande styvhet, kedjorna bildade bipolära mönster (se figur 1), som de är kända från lök och jordklot. När tätheten och styvheten ökades ytterligare, strukturen ändrades till en tennisbollliknande struktur med fyra distinkta stolpar (se figur 2).

Dessa mycket ovanliga tillstånd härrör från det komplexa samspelet mellan packningen och böjningen av de enskilda polymerkedjorna. Å ena sidan, det är entropiskt gynnsamt för styva polymerkedjor att rikta sig parallellt med varandra. Denna så kallade nematiska fas är, till exempel, avgörande för funktionaliteten hos flytande kristallskärmar. Å andra sidan, den sfäriska inneslutningen hindrar en sådan ordning i hela systemet så att kedjorna nära sfärytan måste böjas, vilket är energiskt ogynnsamt. De resulterande strukturerna är sedan kompromissen ur dessa begränsningar.

Dessa simuleringar gav det första tillfälle att observera och studera självmontering av styva polymerer i sfäriska håligheter. Forskarna runt Dr Arash Nikoubashman och professor Kurt Binder är övertygade om att deras arbete kommer att bidra till att belysa beteendet hos både naturligt förekommande och syntetiska mjuka system i fängelse.