Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Mikrokropelki w emulsji mogą pływać dzięki wytwarzaniu własnych wici

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 w czasopiśmie „Nature Physics”.

 

Fot. 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).

Przytaczany artykuł opisuje zachowanie zawiesiny mikrokropelek oleju z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego (surfaktanta) w wodzie. Kropelki mają średnicę ok. 20 mikrometrów, dzięki czemu są widoczne pod mikroskopem. Podczas powolnego chłodzenia kropelek, w temperaturach zbliżonych do 2-8oC, 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. 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. Analizujemy szczegółowo deformacje wytwarzanych włókien i wiążemy je z ruchem pływających kropelek. W ten sposób uzyskujemy nowe spojrzenie na ruch mikropływaków. 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 – mówi dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW.

Fot. 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) to seria pływaków o różnych kształtach i tempie pływania. Rodzaj użytego oleju i środka powierzchniowo czynnego decyduje o elastycznych właściwościach włókien (źródło: publikacja w „Nature Physics”). 

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).

Wydział Fizyki UW

Źródła

„Rechargeable self-assembled droplet microswimmers driven by surface phase transitions”, Diana Cholakova, Maciej Lisicki, Stoyan K. Smoukov, Slavka Tcholakova, Emily Lin, Jianxin Chen, Gabriele De Canio, Eric Lauga, Nikolai Denkov, „Nature Physics” (2021).

KOMENTARZE
Newsletter