Des physiciens théoriques dirigés par le professeur Kurt Binder et le Dr Arash Nikoubashman de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) en Allemagne ont utilisé des simulations informatiques pour étudier la disposition des polymères rigides dans des cavités sphériques. Ces systèmes confinés jouent un rôle important pour un large éventail d'applications, telles que la fabrication de nanoparticules pour une administration ciblée de médicaments et pour des nanomatériaux sur mesure. Par ailleurs, les systèmes étudiés peuvent donner des informations cruciales sur le fonctionnement interne des problèmes biologiques où les effets de confinement sont cruciaux, tels que l'encapsidation de l'ADN double brin dans les capsides des bactériophages et l'auto-assemblage des filaments d'actine dans les cellules.

Les simulations ont démontré que les chaînes entièrement flexibles sont réparties de manière homogène à l'intérieur de la cavité sphérique, avec une surface non structurée au niveau de la sphère de confinement. Cependant, lorsque la rigidité des chaînes a été augmentée, les polymères alignés parallèlement aux bouts de chaînes ordonnés sur un plan équatorial commun. À la fois, des structures complexes ont émergé à la surface de la sphère. Aux faibles densités et rigidités intermédiaires, les chaînes formaient des motifs bipolaires (voir figure 1), comme ils sont connus des oignons et des globes. Au fur et à mesure que la densité et la rigidité ont été augmentées, la texture a changé en une structure semblable à une balle de tennis avec quatre pôles distincts (voir la figure 2).

Ces états très inhabituels proviennent de l'interaction complexe entre le tassement et la flexion des chaînes polymères individuelles. D'un côté, il est entropiquement favorable pour que les chaînes polymères rigides s'alignent parallèlement les unes aux autres. Cette phase dite nématique est, par exemple, crucial pour la fonctionnalité des écrans à cristaux liquides. D'autre part, le confinement sphérique empêche un tel ordre dans tout le système de sorte que les chaînes proches de la surface de la sphère doivent se plier, ce qui est énergétiquement défavorable. Les structures résultantes sont alors le compromis hors de ces contraintes.

Ces simulations ont fourni la première opportunité d'observer et d'étudier l'auto-assemblage de polymères rigides dans des cavités sphériques. Les chercheurs autour du Dr Arash Nikoubashman et du professeur Kurt Binder sont convaincus que leurs travaux aideront à élucider le comportement des systèmes mous naturels et synthétiques en confinement.