Nieznane oblicze cieczy

Woda jest fascynującą substancją, która inspiruje naukowców od wieków. Jednak, pomimo intensywnych badań nad jej złożoną strukturą, wiele własności wody—a w wielu przypadkach ogólnie cieczy—nie jest do końca poznanych. Dwie krople wody błyskawicznie łączą się ze sobą tworząc prostszą strukturę—większą kroplę. Tak samo dzieje się z pianą, w której małe bąbelki łączą się a ostatecznie pękają. To wszystko za sprawą dążenia wody do zmniejszenia swojej energii powierzchniowej. Najnowsze badania przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, kierowane przez dr Jana Guzowskiego wyjaśniają jak krople wody, zamiast łączyć się w większe krople, niespodziewanie tworzą coraz bardziej złożone struktury niczym nie przypominające tych opisanych w podręcznikach. Przyjrzyjmy się bliżej temu odkryciu.

Wszystko, co nas otacza, podlega prawom fizyki—nawet pęcherzyki powietrza powstałe podczas spieniania kawy lub krople spływające po oknie w deszczowe popołudnie. Mimo, że zachowanie pęcherzyków, baniek lub kropelek w makroskali zdaje się być łatwo opisywalne, zachowanie podobnych obiektów w mikroskali często wymyka się prostej intuicji. I choć natura cieczy jest badana od dziesięcioleci, to nawet ta najlepiej poznana, czyli woda – nadal skrywa wiele tajemnic, które są w stanie zadziwić każdego.

W zależności od otoczenia, krople wody mogą mieć różne kształty i rozmiary oraz, przez łączenie, tworzyć coraz większe objętości—np. dobrze znane kałuże. A jeśli w szczególnych warunkach, na ułamki sekundy, woda stworzyłaby łańcuchy przypominające kształtem nić DNA? Bez wnikliwych badań taka obserwacja mogłaby być prawdopodobnie potraktowana jako artefakt w bezmiarze danych i zapomniana równie szybko jak zarejestrowana. Oczywistym jest, że pojedyncze krople wody łącząc się ze sobą tworzą coraz większe krople, dalekie kształtem od łańcuchów. Okazuje się jednak, że po zamknięciu mikroskopijnych kropelek w niewielkich kanalikach woda tworzy niebywałe struktury utrzymujące się na tyle długo, aby móc zbadać mechanizm ich powstawania.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk niedawno po raz pierwszy zaobserwowali tego typu osobliwe zachowanie kropel wody. Grupa badaczy prowadzona przez dr Jana Guzowskiego, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Princeton, po raz pierwszy zarejestrowała tworzenie się zlepków kropel samoorganizujących się w bardziej złożone struktury podczas przepływu przez mikrokanaliki. Naukowcy utrzymywali krople w niewielkiej odległości i zaobserwowali, że zaczęły one tworzyć łańcuch. Co ciekawe, taki łańcuch fałdował się, a nawet zwijał, przypominając wtedy kształtem spleciony sznurek z powtarzającymi się węzłami.

Oczywiście taki stan był tylko przejściowy zanim krople nie połączyły się w jedną dużą kroplę. Jednak ‘czas życia’ tych krótkotrwałych lecz jakże intrygujących struktur był na tyle długi, że można było dobrze przyjrzeć się wszystkim etapom ich tworzenia, a nawet kontrolować zachowanie poszczególnych segmentów.

W przyrodzie strukturę łańcucha odnaleźć można choćby w białkach złożonych z aminokwasów ułożonych jeden za drugim lub w innych związkach chemicznych o liniowej strukturze. Jednak obserwacja złożonych liniowych struktur zbudowanych ze zwykłej wody niebywale zaskakuje. Zrozumienie tak nieoczekiwanego zachowania wymagało dużego nakładu pracy. Aby wyjaśnić mechanizm stojący za stabilnością zaobserwowanych struktur, naukowcy z IChF PAN przeprowadzili badania w urządzeniu mikroprzepływowym, gdzie maleńkie kropelki wody przylegały do siebie w obecności niewielkiej ilości niemieszającego się z wodą oleju. Zarejestrowali powstawanie elastycznych połączeń między pojedynczymi kroplami, tzw. mostków kapilarnych, dzięki czemu po raz pierwszy mogli powtarzalnie wygenerować skomplikowane struktury złożone z dziesiątek lub setek kropel, w tym wspomniane łańcuchy z węzłami.

"Badaliśmy dynamiczną samoorganizację kropel w stabilne nici powstające przy udziale sił kapilarnych. Zbadaliśmy również stabilność struktur i ustaliliśmy parametry przepływu dla których struktury mogły być generowane w powtarzalny sposób." – twierdzi dr Jan Guzowski, pierwszy autor badań.

Odkrycia naukowców z IChF PAN mają potencjał do zastosowania w systemach wykorzystujących krople jako mikrobioreaktory, takich jak urządzenia mikroprzepływowe do zastosowań biomedycznych, gdzie krople mogą być użyte jako elementy budulcowe coraz bardziej złożonych mikrosystemów. Na przykład, po zmodyfikowaniu biopolimerami, krople mogą być wykorzystane jako mikrośrodowiska do hodowli komórek, a nawet tkanek, innymi słowy, jako tzw. rusztowania do inżynierii tkankowej. Umożliwiłoby to kontrolowanie tysięcy maleńkich tkanek w mikrokanalikach w ciągu zaledwie kilku sekund, co byłoby szczególnie przydatne np. przy testowaniu leków. W takim przypadku kropelki, zawierające komórki, np. pobrane od pacjenta, pełniłyby rolę mikro-biopsji, tj. powtarzalnych „kopii” tej samej tkanki.

Dr Guzowski zauważa: "Uważamy, że struktury opisane w niniejszej pracy mogą być wykorzystywane w hodowli komórkowej, a nawet w medycynie spersonalizowanej, odkrywaniu nowych leków lub diagnostyce. Obecnie dostępne techniki powstawania biomateriałów zawierających komórki mają niską odtwarzalność, a dzięki powtarzalnemu wytwarzaniu lub ‘kopiowaniu’ kropel w mikroprzepływach można by to zmienić. "

Zastosowanie kropel w tak skomplikowanych systemach nie jest proste, ale możliwe. Wymaga to stabilizacji kropel i tym samym wielu długotrwałych badań. Okazuje się jednak, iż obserwowane zjawiska nie ograniczają się tylko do wody. Podobne liniowe struktury można uzyskać również dla cząstek mikrożeli. W takim przypadku struktury pozostają stabilne przez wiele godzin, a nawet miesięcy. Ale to nie koniec! Naukowcy intensywnie kontynuują badania pokazując, że niektóre sekwencje w łańcuchach złożonych z kropel są do pewnego stopnia losowe, co sprawia, że mogą być wykorzystywane do kodowania i przechowywania informacji w sposób podobny do kodowania informacji w DNA. Ta funkcjonalność łańcuchów mogłaby być wykorzystana do "etykietowania" i identyfikacji poszczególnych kropel lub mikrożeli zawierających komórki z różnymi kombinacjami leków. W ten sposób można by określić zachowanie komórek, np. nowotworowych, w środowiskach zawierających kombinacje wielu leków w wielu różnych stężeniach bez użycia dodatkowych chemicznych markerów, które mogłyby zakłócać działanie testowanych leków. Obecnie, naukowcy, zaskoczeni nieoczekiwanymi wynikami, zaczęli badać bardziej złożone systemy kropel, otwierając możliwości wdrożenia swoich odkryć w życiu codziennym. Z pewnością wkrótce ponownie o nich usłyszymy.

Praca ta została opublikowana w Soft Matter 15 lutego 2022 roku.

Prace te były wspierane przez Ministerstwo Nauki w ramach grantu Mobility Plus 1058/MOB/2013/0 oraz grantu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej POIR.04.04.00-00-26C7/16-00 (wcześniej First TEAM 2016-2/13), grantu European Research Council Starting Grant 279647, programu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej Idee dla Polski oraz NSF CMM1-1661672

PUBLIKACJE NAUKOWE:
“From dynamic self-organization to avalanching instabilities in soft-granular threads”
J. Guzowski, R.J. Buda, M. Constantini, M. Ćwiklińska, P .Garstecki, H.A. Stone
Soft Matter, 2022, 9, 1801-1818
DOI: 10.1039/D1SM01350E