Zaskakujące struktury z mikrokropel zapowiadają nadejście nowych technologii

W prestiżowym czasopiśmie fizycznym „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 samoorganizowania 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.

„My pokazaliśmy, że kształty struktur, w które samoczynnie układają się wewnętrzne kropelki, zależą nie tylko od ich liczby, ale 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 rolę „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 wyraźnie 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, a więc były stosunkowo duże. 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”.

Kontrolowane wytwarzanie mezoatomów z kropel ma szczególne znaczenie dla inżynierii materiałowej. Materiały powstają bowiem nieco podobnie jak konstrukcje z klocków: są „składane” z wielu mniejszych „cegiełek” – zlepków ciasno upakowanych cząsteczek bądź atomów. Drobiny te są na ogół dość kuliste, co znacznie ogranicza możliwości ich rozmieszczania w przestrzeni. Tymczasem 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 można byłoby 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. Każda kropla w mezoatomie może przecież zawierać inne substancje lecznicze, uwalniane w różnych warunkach. Tak spreparowany, „inteligentny” pojemnik na leki mógłby w wybranym organie człowieka przeprowadzić całą, starannie zaplanowaną terapię lekową.

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