Theoretisch natuurkundigen onder leiding van professor Kurt Binder en Dr. Arash Nikoubashman van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) in Duitsland hebben computersimulaties gebruikt om de rangschikking van stijve polymeren in bolvormige holtes te bestuderen. Deze besloten systemen spelen een belangrijke rol voor een breed scala aan toepassingen, zoals de fabricage van nanodeeltjes voor gerichte medicijnafgifte en voor op maat gemaakte nanomaterialen. Verder, de onderzochte systemen kunnen cruciale inzichten geven in de innerlijke werking van biologische problemen waarbij opsluitingseffecten cruciaal zijn, zoals de verpakking van dubbelstrengs DNA in bacteriofaagcapsiden en de zelfassemblage van actinefilamenten in cellen.

De simulaties hebben aangetoond dat volledig flexibele kettingen homogeen zijn verdeeld in de bolvormige holte, met een ongestructureerd oppervlak aan de begrenzende bol. Echter, toen de stijfheid van de kettingen werd verhoogd, de polymeren zijn op een parallelle manier uitgelijnd met de ketenuiteinden geordend op een gemeenschappelijk equatoriaal vlak. Tegelijkertijd, complexe structuren ontstonden op het boloppervlak. Bij lage dichtheden en gemiddelde stijfheid, de ketens vormden bipolaire patronen (zie figuur 1), zoals ze bekend zijn van uien en bollen. Naarmate de dichtheid en stijfheid verder werden verhoogd, de textuur veranderde in een tennisbalachtige structuur met vier verschillende palen (zie figuur 2).

Deze hoogst ongebruikelijke toestanden komen voort uit het complexe samenspel tussen de pakking en buiging van de afzonderlijke polymeerketens. Aan de ene kant, het is entropisch gunstig voor stijve polymeerketens om evenwijdig aan elkaar uit te lijnen. Deze zogenaamde nematische fase is, bijvoorbeeld, cruciaal voor de functionaliteit van liquid crystal displays. Anderzijds, de bolvormige opsluiting belemmert een dergelijke orde in het hele systeem zodat de kettingen dicht bij het boloppervlak moeten buigen, wat energetisch ongunstig is. De resulterende structuren zijn dan het compromis uit deze beperkingen.

Deze simulaties boden de eerste mogelijkheid om de zelfassemblage van stijve polymeren in bolvormige holtes te observeren en te bestuderen. De onderzoekers rond Dr. Arash Nikoubashman en professor Kurt Binder zijn ervan overtuigd dat hun werk zal helpen om het gedrag van zowel natuurlijk voorkomende als synthetische zachte systemen in opsluiting op te helderen.