Kapsuły Janusa to miniaturowe, puste w środku banieczki, których jedna półkula zbudowana jest z nanocząsteczek jednego typu, a druga - innego. Ich nazwa to nawiązanie do starorzymskiego boga o dwóch twarzach, każdą skierowaną w inną stronę świata. Kapsuły te mogą się przydać w wielu dziedzinach, choćby do transportu leków. Dzięki pracy naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie oraz badaczy z Francji i Norwegii, wiemy już, jak je w prosty sposób tworzyć. Pisze o tym czasopismo "Nature Communications".
Naukowcy wcześniej wymyślili już sposób tworzenia kul Janusa - okrągłych, całkowicie wypełnionych mikro- i nanoobiektów, których jedna część ma inne właściwości niż druga. Takie kule tworzy się na przykład zlepiając dwie krople różnych substancji. Po połączeniu nową kroplę wystarczy szybko utrwalić, na przykład schładzając ją lub doprowadzając do polimeryzacji jej materiałów. Kulami Janusa są miedzy innymi drobiny o połówkach białej i czarnej, stosowane do generowania obrazu w wyświetlaczach elektroforetycznych montowanych w czytnikach e-książek.
Kapsuły Janusa różnią się od kul Janusa: są puste w środku, a ich powłoka, częściowo przepuszczalna, jest stworzona z cząstek koloidalnych. Jak zrobić taką "dwulicową bańkę" z mikro- i nanocząstek? Nad tym zastanawia się wielu naukowców. My zaproponowaliśmy naprawdę nieskomplikowane rozwiązanie - mówi dr Zbigniew Rozynek z IChF PAN, który podczas stażu podoktorskiego na Norwegian University of Science and Technology w Trondheim zajmował się stroną eksperymentalną badań tych struktur.
Międzynarodowy zespół naukowców wytwarzał kapsuły Janusa na kroplach o objętości pojedynczych mikrolitrów. Krople były pokrywane m.in. nanocząstkami polistyrenowymi o średnicach ok. 500 nm i szklanymi o średnicach ok. 1000 nm. Używano także drobin polietylenowych zabarwionych w różny sposób.
Doświadczenia przeprowadzano na kroplach oleju zawieszonych w innym oleju. W tak przygotowane środowisko wprowadzano mikro- lub nanocząstki jednego typu, które osadzano na powierzchni wybranej kropli. Następnie na drugiej kropli osadzano drobiny innego typu. Dzięki siłom kapilarnym cząstki trwale utrzymywały się na powierzchniach obu kropel, pokrywając je mniej więcej jednorodnie.
Po włączeniu zewnętrznego pola elektrycznego wewnątrz kropel powstawały mikroprzepływy. Przesuwały one drobiny na powierzchni każdej kropli od jej "biegunów" (uformowanych wzdłuż kierunku pola elektrycznego) ku "równikowi". Na tym etapie można było kontrolować upakowanie cząstek koloidalnych poprzez "wstrząsanie" kroplami w wolno zmieniającym się polu elektrycznym. Wskutek mikroprzepływów wokół "równików" kropel tworzyła się wstęga o kształcie pierścienia, składająca się z mniej lub bardziej zlepionych cząstek, podczas gdy oba "bieguny" stawały się puste. Jednocześnie bieguny każdej kropli zyskiwały przeciwne ładunki elektryczne.
Przeciwne ładunki elektryczne przyciągają się, krople z naładowanymi biegunami kierowały się więc ku sobie. Na tym etapie należało jeszcze z pomocą pola elektrycznego "przekonać" obie krople, aby nie tylko zetknęły się biegunami, ale żeby faktycznie się połączyły. Po zlaniu się kropel, znajdujące się na ich powierzchniach układy drobin także się łączyły. Upakowanie drobin w każdej wstędze powodowało jednak, że cząstki różnych typów praktycznie nie mieszały się ze sobą. To jak ze słynnym martini Bonda: ono też miało być zawsze "wstrząśnięte, niezmieszane" - śmieje się dr Rozynek.
We wnętrzu kapsuł Janusa można umieszczać mikroobiekty, nanodrobiny lub cząsteczki chemiczne, które z powodu swej wrażliwości lub reaktywności wymagają ochrony przed środowiskiem. Zróżnicowane własności obu części kapsuł umożliwiają kontrolę ich ruchu i uwalniania ich zawartości. Czynniki te powodują, że kapsuły Janusa mogą mieć wiele zastosowań. Prosta metoda ich wytwarzania może mieć duże znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego, farbiarskiego czy spożywczego, a także dla rozwoju inżynierii materiałowej i medycyny.
Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.
