Mikrokropelki w emulsji mogą pływać dzięki wytwarzaniu własnych wici

Podczas chłodzenia, kropelki oleju w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego mogą tworzyć dwa włókna, podobne do wici bakterii, wytwarzane przez wytłaczanie materiału z wnętrza kropelki. Przed wytwarzaniem włókien kropelki przybierają wielokątne kształty z powodu zamarzania środka powierzchniowo czynnego przy powierzchni kropelek. Początkowo proste włókno ulega podczas wzrostu niestabilności wyboczeniowej, a jego ostateczny kształt wynika ze współzawodnictwa jego elastyczności i hydrodynamicznego oporu płynu. (Źródło: D. Cholakova, Uniwersytet Sofijski)

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, University of Cambridge, Queen Mary University of London oraz University of Sofia wykazali, że powolne chłodzenie zawiesiny kropel oleju w wodzie z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego może prowadzić do powstania niesferycznych kształtów kropel. W toku dalszej ewolucji wytwarzają one nitkowate struktury przypominające wici bakteryjne. Tworzące się włókna indukują ruch kropel, a proces ten jest w pełni odwracalny poprzez cykliczne zmiany temperatury ich otoczenia. Artykuł podsumowujący badania ukazał się właśnie w czasopiśmie “Nature Physics”.

W Nature Physics ukazał się artykuł autorstwa naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, University of Cambridge, Queen Mary University of London i University of Sofia. Opisuje on zachowanie zawiesiny mikrokropelek oleju z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego (surfaktanta) w wodzie. Kropelki mają średnicę około 20 mikrometrów, dzięki czemu są widoczne pod mikroskopem. Podczas powolnego chłodzenia kropelek, w temperaturach zbliżonych do 2-8 stopni Celsjusza, cząsteczki środka powierzchniowo czynnego wewnątrz kropelek oleju zaczynają tworzyć fazę plastyczną i przez to odkształcają kropelki w taki sposób, że zaczynają one wytwarzać wydłużone struktury przypominające włókna w jednym lub kilku miejscach na powierzchni. Tworzenie się tych elastycznych włókien powoduje ruch kropel w sposób podobny do ruchu mikroskopijnych pływaków, takich jak bakterie. Co więcej, proces ten jest w pełni odwracalny poprzez cykliczne zmiany temperatury ich otoczenia.

„Prezentujemy nową klasę aktywnych, elastycznych mikropływaków wytwarzanych przez proste schłodzenie 3-składnikowej mieszaniny. Są one łatwe do kontrolowania, a ich wytworzenie jest tanie. Dzięki temu mamy proste narzędzie do badania dynamiki znacznie bardziej skomplikowanych układów biologicznych” – mówi dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW. „Zmieniając temperaturę zewnętrzną i kontrolując szybkość chłodzenia jesteśmy w stanie zaobserwować powstawanie misternych struktur geometrycznych przypominających wici pływających mikroorganizmów”. Surfaktanty użyte w tym badaniu są biokompatybilne, a zatem układ tego typu może być przydatny w dalszych badaniach dynamiki materii aktywnej, zwłaszcza w mieszaninach sztucznych i biologicznych mikropływaków, w celu badania ich kolektywnej dynamiki i oddziaływań pomiędzy pływakami.”

Kropelki emulsji po ochłodzeniu odkształcają się i ostatecznie wytwarzają jedno lub dwa włókna. Schemat (a) przedstawia kolejne etapy przekształcania początkowo kulistej kropli w pływaka. Zmiany kształtu kontrolowane są przez powierzchniowe przejście fazowe detergentu. (b-e) Seria pływaków o różnych kształtach i tempie pływania. Rodzaj użytego oleju i środka powierzchniowo czynnego decyduje o elastycznych właściwościach włókien. (Źródło obrazu: publikacja w Nature Physics (2021))

„Analizujemy szczegółowo deformacje wytwarzanych włókien i wiążemy je z ruchem pływających kropelek. W ten sposób uzyskujemy nowe spojrzenie na ruch mikropływaków” - dodaje dr Lisicki. „Korzystając z narzędzi teoretycznych do opisu dynamiki płynów w mikroskali, jesteśmy w stanie zrozumieć, dlaczego te włókna się tworzą, wyjaśniamy ich kształty i określamy ilościowo obserwowany ruch kropel.”

Prace są wynikiem wieloletniej współpracy międzynarodowej naukowców z Polski, Bułgarii i Wielkiej Brytanii. Kropelki zostały zsyntetyzowane i eksperymenty zostały przeprowadzone przez zespół kierowany przez prof. Nikolaia Denkova z Uniwersytetu Sofijskiego, we współpracy z grupą dr. Stoyana Smoukova z Queen Mary University of London. Opis ruchu w takim układzie wymaga uwzględnienia zarówno odkształcenia sprężystego włókien, jak i ich oporu hydrodynamicznego. Model przewiduje prędkość pływania kropel oleju w zależności od elastycznych właściwości zestalonych włókien. Model teoretyczny opisujący dynamikę tych nowych cząstek aktywnych skonstruowali dr Maciej Lisicki (Warszawa), dr Gabriele De Canio i prof. Eric Lauga (Cambridge).

PUBLIKACJE NAUKOWE:

KONTAKTY:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE:

FILM: