В физическом журнале Physical Review Letters группа исследователей из Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве, Польша, представила новый метод управления формой структур — так называемых мезоатомов — образованный микрокаплями, помещенными внутрь другой капли. Работа увеличивает возможности управления процессами самоорганизации материи. В ходе своих исследований ученым также впервые удалось наблюдать образование микрокапельных структур неожиданной формы.Давно известно, что внутрь капли одной жидкости можно поместить определенное количество капель другой несмешивающейся жидкости.
Также известно, что при определенных условиях внутренние капли могут образовывать устойчивые структуры. Однако до сих пор предполагалось, что форма этих структур зависит только от количества образующих их капель.
В результате количество различных структур мезомасштабных атомов, которые можно было получить, было очень ограниченным.«Мы показали, что форма структур, спонтанно располагающихся внутри капель, зависит не только от их количества, но и от относительных пропорций их объема.
Наличие второго параметра значительно увеличивает способность образовывать новые мезомасштабные атомы. В результате в нашем распоряжении появился спонтанный процесс с богатым потенциалом, который мы можем до некоторой степени контролировать », — говорит профессор Петр Гарстецки (IPC PAS).
Устойчивые структуры капель внутри капель создаются в IPC PAS с помощью микрофлюидных систем. Системы этого типа обычно образованы двумя пластинами из пластика. На одну пластину нанесена сеть тщательно продуманных канавок, а вторая выполняет роль «крышки». После скрепления двух пластин вместе канавки становятся каналами субмиллиметрового диаметра, заполненными жидкостью-носителем.
Если небольшие порции рабочей жидкости, не смешивающейся с жидкостью-носителем, вводятся в микроканалы, образуются капли. Методы, разработанные в IPC PAS, позволяют точно контролировать движение множества крошечных сегментов жидкости.«В ходе наших исследований мы вводили равные, небольшие порции окрашенной воды, одну за другой, в канал, заполненный маслом. Поскольку масло не смешивается с водой, была создана« струна »из нескольких синих, практически идентичных , микрокапли.
Интересные вещи начали происходить, когда такая «цепочка» капель, текущая в нефти одного типа, была закачана в канал, заполненный другой нефтью, не смешивающейся с двумя другими жидкостями », — говорит д-р Ян Гузовски (IPC PAS; в настоящее время; в Принстонском университете).Поверхностное натяжение жидкой оболочки вокруг инкапсулированных капель привело к тому, что она сама образовала каплю. Во время этого процесса инкапсулированные микрокапли подвергались значительным силам, деформировались и организовывались таким образом, чтобы минимизировать энергию сдерживающей их поверхности.
В зависимости от конфигурации — количества капель внутри капли и соотношения между объемами всех капель — формируется уникальная структура мезомасштабного атома. Исследователи смогли наблюдать ряд различных геометрических форм атомов. Настоящим сюрпризом было то, что они также могли наблюдать структуры, содержащие все капли ядра, расположенные в ряд, одну за другой, как горох в стручке.«Конфигурация, в которой несколько капель образуют ряд, только кажется нестабильной.
Наши расчеты показывают, что для того, чтобы склеиться в кластер, выровненные капли должны будут претерпевать деформацию« в пути », требующую ввода дополнительной энергии. Поток, переносящий капли, недостаточно силен для этого, и в результате капли остаются замороженными в исходном расположении. Наконец, вся конструкция выглядит как группа из нескольких теннисных мячей, помещенных один за другим в плотный рукав рубашки », — говорит Доктор Гузовски и подчеркивает, что существование капиллярных барьеров, предотвращающих самопроизвольную реконфигурацию структуры микрокапель, было представлено впервые.
Мезомасштабные атомы капель внутри капель, полученные командой IPC PAS, имели лишь субмиллиметровые размеры и, следовательно, были относительно большими.«Лабораторные эксперименты легче проводить с более крупными каплями и таким образом, чтобы их можно было легко наблюдать», — поясняет профессор Гарстецки и отмечает: «Однако нет никаких фундаментальных препятствий для уменьшения размера капель на один или два порядка. . Капиллярные силы, ответственные за формирование структур, даже сильнее в малых масштабах. Поэтому мы ожидаем, что этот процесс должен быть быстрее и даже более управляемым, если нацелены на размеры значительно ниже миллиметрового масштаба ».Контролируемое производство мезомасштабных атомов из капель имеет особое значение для материаловедения.
Это связано с тем, что материалы возникают в некоторой степени подобным структурам, состоящим из строительных блоков: они «состоят» из множества более мелких «кирпичей» — плотно упакованных кластеров частиц или атомов. Перспективной областью применения является транспортировка лекарств к определенным участкам тела.
Каждая капля мезомасштабного атома может содержать различные терапевтические вещества, которые выделяются в разных условиях. Такой «умный» контейнер для лекарств может проводить тщательно спланированную лекарственную терапию в выбранном органе человеческого тела.