Międzynarodowy zespół naukowców z udziałem fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego wykazał, 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.
W badaniach uczestniczyli naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, University of Cambridge, Queen Mary University of London i Uniwersytetu Sofijskiego im. św. Klemensa z Ochrydy. Artykuł podsumowujący wyniki ich prac ukazał się właśnie w czasopiśmie Nature Physics.
Uczeni opisują 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. 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 – tłumaczy dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW.
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 fizyk z UW.
Prace są wynikiem wieloletniej współpracy międzynarodowej naukowców z Polski, Bułgarii i Wielkiej Brytanii. Kropelki zostały zsyntetyzowane, a następnie eksperymenty z nimi przeprowadził 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 (UW), dr Gabriele De Canio i prof. Eric Lauga (Cambridge).
źródło: FUW