Nanotecnologia

Simulações mostram como materiais se arranjam em nanoescala

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Veja a explicação sobre as duas imagens no texto. [Imagem: Arash Nikoubashman]

Nanossimulações

Físicos da Universidade Johannes Gutenberg, na Alemanha, usaram simulações computacionais para estudar o arranjo de polímeros quando eles ficam aprisionados em cavidades esféricas.

Esses sistemas confinados desempenham um papel importante em uma ampla gama de aplicações, como a fabricação de nanopartículas para entrega localizada de medicamentos, nanomateriais funcionalizados e metamateriais em nanoescala.

Além disso, os resultados dessas simulações podem fornecer informações cruciais sobre o funcionamento interno de uma série de fenômenos biológicos nos quais os efeitos de confinamento são cruciais, como o empacotamento do DNA de cadeia dupla em capsídeos de bacteriófagos - a "casca" dos vírus que infectam bactérias - e a automontagem de filamentos de actina nas células.

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Arranjos de confinamento

As simulações demonstraram que as cadeias poliméricas, totalmente flexíveis, são distribuídas homogeneamente dentro da cavidade esférica, mesmo com uma superfície não estruturada da esfera de confinamento. No entanto, quando a rigidez das correntes aumenta, os polímeros se alinham paralelamente com as extremidades das correntes ordenadas em um plano equatorial comum.

Ao mesmo tempo, emergem estruturas complexas na superfície da esfera. Em baixas densidades e rigidez intermediária, as cadeias formam padrões bipolares (figura à esquerda), como nas cebolas. À medida que a densidade e a rigidez aumentam, a textura muda para uma estrutura de bola de tênis com quatro pólos distintos (figura à direita).

Esses estados altamente incomuns se originam da complexa interação entre o invólucro e a flexão das cadeias individuais de polímero.

Por um lado, é entropicamente favorável para as cadeias rígidas de polímero se alinharem paralelamente entre si. Essa fase nemática é, por exemplo, crucial para a funcionalidade dos monitores de cristal líquido.

Por outro lado, o confinamento esférico impede o ordenamento de todo o sistema, de modo que as cadeias próximas à superfície da esfera têm que se dobrar, o que é energeticamente desfavorável. As estruturas resultantes são então o compromisso dessas duas restrições.

Bibliografia:

Semiflexible Polymers in Spherical Confinement: Bipolar Orientational Order Versus Tennis Ball States
Arash Nikoubashman, Daniel A. Vega, Kurt Binder, Andrey Milchev
Physical Review Letters
Vol.: 118, 217803
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.217803