Zaskakujące struktury z mikrokropel zapowiadają nadejście nowych technologii

Niespodziewane kształty mezoatomów – struktur zbudowanych z mikrokropel w kroplach – zaobserwowano w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Realizowana za pomocą układów mikroprzepływowych metoda ma szansę przenieść niektóre gałęzie medycyny i inżynierii materiałowej na nowy poziom.

W prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters” zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie zaprezentował nową metodę kontrolowania kształtów struktur tworzących się z mikrokropel umieszczonych we wnętrzu innej kropli. Osiągnięcie znacząco zwiększa możliwości sterowania procesami samo-organizowania się materii. W trakcie badań naukowcom udało się także po raz pierwszy zaobserwować formowanie się mikrokropelkowych struktur o niespodziewanych kształtach.

O tym, że wewnątrz kropli jednej cieczy można umieścić pewną liczbę kropel innej, niemieszającej się cieczy, było wiadomo od dawna. Znany też był fakt, że w określonych warunkach wewnętrzne kropelki mogą się układać w stabilne struktury nazywane mezoatomami. Dotychczas przyjmowano jednak, że kształty tych struktur zależą tylko od liczby formujących je kropelek. W rezultacie liczba możliwych do otrzymania mezoatomów była niewielka.

„Pokazaliśmy, że kształty struktur, w które samoczynnie układają się wewnętrzne kropelki, zależą nie tylko od ich liczby, lecz także od wzajemnych proporcji ich objętości. Istnienie drugiego parametru znacząco wzbogaca możliwości formowania nowych mezoatomów. W efekcie mamy teraz do dyspozycji spontaniczny proces o bogatym potencjale, proces, którym potrafimy bardzo precyzyjnie sterować. Daje to również podstawy do myślenia o ciekawych zastosowaniach” – mówi prof. dr hab. Piotr Garstecki (IChF PAN).

Stabilne struktury kropelek w kroplach wytwarza się w IChF PAN za pomocą układów mikroprzepływowych. Układy tego typu powstają zazwyczaj z dwóch płytek z tworzywa sztucznego. Na jedną płytkę nanosi się sieć starannie zaprojektowanych wyżłobień, druga pełni funkcję „wieczka”. Po sklejeniu obu płytek wyżłobienia stają się kanalikami o średnicach submilimetrowych, które wypełnia się cieczą nośną. Jeśli do wnętrza tak przygotowanego układu wstrzyknie się niewielkie porcje cieczy roboczej, niemieszającej się z cieczą nośną, w kanalikach uformują się wyraźne kropelki. Ich ruch można teraz precyzyjnie kontrolować – wystarczy w tym celu odpowiednio sterować przepływami obu cieczy.

„W trakcie naszych badań w kanalik wypełniony olejem wstrzykiwaliśmy te same niewielkie porcje zabarwionej wody, jedna tuż za drugą. Ponieważ olej nie miesza się z wodą, powstawał «sznur» liczący od trzech do ośmiu niebieskich, praktycznie identycznych mikrokropelek. Ciekawe rzeczy zaczynały się dziać, gdy taki kropelkowy «pociąg», płynący w oleju jednego rodzaju, wstrzykiwaliśmy do komory wypełnionej innym olejem, niemieszającym się z dwoma pozostałymi cieczami” – mówi dr Jan Guzowski (IChF PAN; obecnie na Uniwersytecie w Princeton). Napięcie powierzchniowe wstrzykniętego oleju powodowało, że zaczynał on formować kroplę. W trakcie tego procesu kropelki wody wewnątrz formującej się kropli oleju były poddawane znacznym siłom i przemieszczały się, a nawet deformowały, byle tylko zminimalizować energię opinającej je powierzchni. W zależności od konfiguracji – liczby kropelek w kropli oraz proporcji między objętościami wszystkich kropel – tak utworzony mezoatom mógł być niemal kulisty, lekko wydłużony, a nawet wyraźnie nieregularny. Prawdziwym zaskoczeniem okazały się jednak struktury zbudowane nawet z ośmiu kropelek wody ustawionych w linii, jedna za drugą, i tak silnie opiętych powierzchnią kropli oleju, że aż wyraźnie spłaszczonych.

„Konfiguracja, w której kilka kropelek ustawia się w linii, tylko pozornie wygląda na nietrwałą. Nasze obliczenia pokazują, że aby zlepić się w grudkę, ustawione w linii kropelki musiałyby po drodze ulec deformacji wymagającej wkładu dodatkowej energii. Unoszący krople przepływ nie jest na to wystarczająco silny i w rezultacie krople tkwią w pierwotnym ułożeniu. Ostatecznie cała struktura wygląda jak zestaw kilku piłek tenisowych wepchniętych jedna po drugiej w ciasny rękaw koszuli” – mówi dr Guzowski i podkreśla, że istnienie barier kapilarnych, uniemożliwiających samoistną rekonfigurację struktur z mikrokropel, zostało zaprezentowane po raz pierwszy.

Mezoatomy z kropelek w kroplach, otrzymane przez zespół z IChF PAN, miały rozmiary rzędu milimetra. Powstawały dość wolno – zwykle pojedyncza struktura formowała się przez mniej więcej sekundę.

„Eksperymenty laboratoryjne łatwiej wykonywać na większych kroplach i w sposób umożliwiający ich łatwą obserwację – tłumaczy prof. Garstecki i zaznacza: – Nie ma jednak żadnych przeszkód, aby wielkość kropel zmniejszyć przynajmniej kilkadziesiąt razy. Co więcej, oddziaływania kapilarne, odpowiedzialne za formowanie się struktur z mikrokropel, zaczynają dominować w małych skalach. Spodziewamy się więc, że małe mezoatomy będą się tworzyć znacznie szybciej, a odsetek struktur o niepożądanych kształtach jeszcze zmaleje”.

Zastosowanie – nowe materiały

Materiały powstają nieco podobnie jak konstrukcje z klocków: są „składane” z wielu mniejszych „cegiełek” – zlepków upakowanych cząsteczek bądź atomów. Drobiny te są na ogół kuliste, co znacznie ogranicza możliwości ich rozmieszczania w przestrzeni.

Przy odpowiednim doborze substancji i metod kropelki wewnątrz mezoatomów można byłoby na masową skalę utrwalać, a następnie osuszać w celu usunięcia zewnętrznej kropli. Z tak powstałych struktur dałoby się budować materiały o precyzyjnie zaplanowanej konstrukcji i niespotykanych właściwościach, np. materiały fotoniczne, które kierowałyby padające na nie fale świetlne w strony zależące od długości fal. Kolejnym niezwykle obiecującym obszarem zastosowań wydaje się transport leków w określone miejsca organizmu.

Badania nad formowaniem się mezoatomów z kropel sfinansowano ze środków europejskiego grantu ERC Starting Grant oraz programu Iuventus Plus Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.