Controllo delle forme dei polimeri: una nuova generazione di materiali adattabili alla forma
I ricercatori controllano le forme dei polimeri ad anello regolando la carica elettrica
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E se un materiale complesso potesse rimodellarsi in risposta a un semplice segnale chimico? Un team di fisici dell'Università di Vienna e dell'Università di Edimburgo ha dimostrato che anche piccole variazioni del valore del pH e quindi della carica elettrica possono spostare la disposizione spaziale di polimeri chiusi a forma di anello (catene molecolari), alterando l'equilibrio tra torsione e deformazione, due modalità distinte di deformazione spaziale. I risultati, pubblicati su Physical Review Letters, dimostrano come la carica elettrica possa essere utilizzata per rimodellare i polimeri in modo reversibile e controllabile, aprendo nuove possibilità per materiali programmabili e reattivi. Con tali materiali, la permeabilità e le proprietà meccaniche, come l'elasticità, la tensione di snervamento e la viscosità, potrebbero essere controllate meglio e "programmate" con precisione.
Uno schizzo delle conformazioni dei nastri superavvolti in funzione della carica elettrica: neutro e ricco di scrittura (in alto a sinistra); completamente carico e ricco di torsioni (in alto a destra); parzialmente carico con domini separati ricchi di scrittura e di torsioni (al centro).
C: Roman Staňo
Immaginate di prendere un nastro e di torcerlo a metà prima di collegarne le estremità: si crea la famosa banda di Möbius, un anello con una sola torsione e una superficie continua. Se si aggiungono altre torsioni prima di chiudere il nastro, la struttura diventa cosiddetta superavvolgente. Tali forme sono comuni in biologia e nella scienza dei materiali, in particolare nel DNA circolare e nei polimeri sintetici (prodotti artificialmente) ad anello. Non è ancora chiaro se e come sia possibile regolare in modo controllato e reversibile l'equilibrio tra twist - la rotazione locale del nastro attorno al suo asse - e writhe - l'avvolgimento su larga scala del nastro nello spazio. Il team di ricerca si è proposto di indagare questa domanda utilizzando un sistema modello di polimeri a forma di anello, in cui la carica elettrica - introdotta tramite ionizzazione dipendente dal pH - funge da parametro di regolazione esterno.
Dalla torsione alla rotazione
Per esplorare la sintonia di questo equilibrio topologico, i ricercatori hanno combinato simulazioni al computer e teoria analitica per studiare come la carica influisce sulla conformazione dei polimeri ad anello superavvolti. Nel loro modello, ogni unità monomerica agisce come un acido debole, guadagnando o perdendo carica a seconda del valore del pH (che specifica l'acidità o la basicità delle soluzioni acquose) della soluzione circostante. Questa configurazione ha permesso un accumulo graduale di carica e ha rivelato come la molecola si rimodella in risposta.
I risultati: I polimeri neutri adottano forme compatte e ricche di torsione. Con l'aumento della carica, la repulsione elettrostatica aumenta, spingendo la molecola verso conformazioni più estese e spostando la distribuzione interna da writhe a twist. Queste transizioni sono uniformi a bassi livelli di superavvolgimento. A livelli più elevati, tuttavia, il modello prevede una caratteristica sorprendente: il polimero può dividersi in domini coesistenti ricchi di torsione e di scrittura - una sorta di separazione di microfasi topologicamente vincolata. Questa forma nascosta di coesistenza di fasi non era mai stata osservata in sistemi di questo tipo.
Per cogliere questi meccanismi, i ricercatori hanno sviluppato una teoria del campo medio di tipo Landau. Questo modello matematico semplificato prevede con precisione quando un polimero subirà un cambiamento conformazionale continuo o brusco, a seconda del grado di superavvolgimento e della carica.
La topologia come strumento di progettazione
L'idea di regolare non solo la struttura molecolare, ma anche la topologia stessa, apre nuove strade per controllare i sistemi reattivi. "Regolando la carica locale, possiamo spostare l'equilibrio tra torsione e deformazione, e questo ci permette di controllare la forma dell'intera molecola", spiega il primo autore Roman Staňo della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna (attualmente alla Cambrigde Univesrity). Poiché ogni monomero può guadagnare o perdere carica, il polimero si rimodella gradualmente - un comportamento che assomiglia ai polielettroliti reali, come il DNA modificato chimicamente. Il team suggerisce che gli anelli di DNA sintetico con catene laterali sensibili al pH - non ancora realizzati sperimentalmente, ma ora fattibili grazie ai recenti progressi nella chimica dei nucleotidi - potrebbero mostrare questo tipo di comportamento di cambiamento di forma controllabile. Queste molecole agirebbero come impalcature topologicamente vincolate, regolando la loro forma in risposta alle condizioni chimiche locali.
Forme reattive, funzioni programmabili
La forma dei polimeri non è solo geometria, ma governa il flusso, la funzione e l'interazione. La capacità di passare reversibilmente dagli stati dominati dalla torsione a quelli dominati dalla scrittura offre una potente strategia per la progettazione di materiali adattivi. I polimeri ad anello che rispondono a sottili variazioni di pH potrebbero un giorno essere utilizzati in dispositivi microfluidici, dove le condizioni locali innescano cambiamenti controllati nella forma e nel comportamento del flusso. "Ciò che è notevole", afferma il coautore Christos Likos, della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna, "è che la transizione da forme compatte a forme estese avviene gradualmente, può essere controllata tramite il pH e non richiede alcun cambiamento nella topologia della molecola".
Questo effetto, osserva il team, potrebbe essere realizzato sperimentalmente in anelli di DNA sintetico, una possibilità resa possibile dai recenti progressi nella chimica dei nucleotidi. I loro risultati offrono anche una visione predittiva: mostrano come la funzione possa essere codificata non solo nella composizione chimica, ma anche nello stato topologico - puntando verso una nuova generazione di materiali adatti alla forma.
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