W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie zaobserwowano niezwykłe struktury zbudowane z mikrokropel w kroplach. Zaskakujące kształty tych tak zwanych mezoatomów odkryto dzięki nowej metodzie precyzyjnej kontroli rozmieszczenia kropelek jednej cieczy wewnątrz kropli innej cieczy. Jak pisze w najnowszym numerze czasopismo "Physical Review Letters" metoda, realizowana z pomocą układów mikroprzepływowych, ma szansę przenieść niektóre gałęzie medycyny i inżynierii materiałowej na nowy poziom.

O tym, że wewnątrz kropli jednej cieczy (np. oleju) można umieścić pewną liczbę kropel innej, niemieszającej się cieczy (np. wody) było wiadomo od dawna. Znany był też fakt, że w określonych warunkach wewnętrzne kropelki mogą się układać w stabilne struktury, nazywane mezoatomami. Dotychczas przyjmowano jednak, że kształty tych struktur zależą tylko od liczby formujących je kropelek. W rezultacie liczba możliwych do otrzymania mezoatomów była niewielka.

My pokazaliśmy, że kształty struktur, w które samoczynnie układają się wewnętrzne kropelki, zależą nie tylko od ich liczby, ale także od wzajemnych proporcji ich objętości. Istnienie drugiego parametru znacząco wzbogaca możliwości formowania nowych mezoatomów. W efekcie mamy teraz do dyspozycji spontaniczny proces o bogatym potencjale, którym potrafimy bardzo precyzyjnie sterować. Daje to również podstawy do myślenia o ciekawych zastosowaniach - mówi współautor pracy, prof. dr hab. Piotr Garstecki.

Stabilne struktury kropelek w kroplach wytwarza się w IChF PAN z pomocą układów mikroprzepływowych. Powstają one zazwyczaj z dwóch płytek z tworzywa sztucznego. Na jedną płytkę nanosi się sieć starannie zaprojektowanych wyżłobień, druga pełni rolę "wieczka". Po sklejeniu obu płytek wyżłobienia stają się kanalikami, które wypełnia się cieczą nośną. Jeśli do wnętrza tak przygotowanego układu wstrzyknie się niewielkie porcje cieczy roboczej, która nie miesza się z cieczą nośną, w kanalikach uformują się wyraźnie kropelki. Ich ruch można teraz precyzyjnie kontrolować - wystarczy w tym celu odpowiednio sterować przepływami obu cieczy.

W trakcie naszych badań w kanalik wypełniony olejem wstrzykiwaliśmy te same, niewielkie porcje zabarwionej wody, jedna tuż za drugą. Ponieważ olej nie miesza się z wodą, powstawał 'sznur' liczący od trzech do ośmiu niebieskich, praktycznie identycznych mikrokropelek. Ciekawe rzeczy zaczynały się dziać, gdy taki kropelkowy 'pociąg', płynący w oleju jednego rodzaju, wstrzykiwaliśmy do komory wypełnionej innym olejem, niemieszającym się z dwoma pozostałymi cieczami - mówi drugi z autorów, dr Jan Guzowski, pracujący obecnie na Uniwersytecie w Princeton.

Napięcie powierzchniowe wstrzykniętego oleju powodowało, że zaczynał on formować kroplę. W trakcie tego procesu kropelki wody wewnątrz formującej się kropli oleju były poddawane znacznym siłom i przemieszczały się, a nawet deformowały, byle tylko zminimalizować energię opinającej je powierzchni. W zależności od konfiguracji - liczby kropelek w kropli oraz proporcji między objętościami wszystkich kropel - tak utworzony mezoatom mógł być niemal kulisty, lekko wydłużony, a nawet wyraźnie nieregularny. Ku swemu zaskoczeniu naukowcy odkryli struktury zbudowane nawet z ośmiu, ustawionych w linii, kropelek wody. To jak zestaw kilku piłek tenisowych wepchniętych jedna po drugiej w ciasny rękaw koszuli - mówi dr Guzowski.

Mezoatomy z kropelek w kroplach, otrzymane przez zespół z IChF PAN były dość duże, miały rozmiary rzędu milimetra. Powstawały dość wolno - pojedyncza struktura formowała się przez mniej więcej sekundę. Eksperymenty laboratoryjne łatwiej wykonywać na większych kroplach i w sposób umożliwiający ich łatwą obserwację, nie ma jednak żadnych przeszkód, aby wielkość kropel zmniejszyć przynajmniej kilkadziesiąt razy - podkreśla prof. Garstecki. Takie małe mezoatomy powinny się tworzyć szybciej.

Kontrolowane wytwarzanie mezoatomów z kropel ma szczególne znaczenie dla inżynierii materiałowej. Przy odpowiednim doborze substancji i metod, kropelki wewnątrz mezoatomów można byłoby na masową skalę utrwalać, a następnie osuszać w celu usunięcia zewnętrznej kropli. Z tak powstałych struktur można byłoby budować materiały o precyzyjnie zaplanowanej konstrukcji i szczególnych właściwościach. Odpowiednie mezoatomy zawierające krople z różnymi, uwalnianymi w odmiennych warunkach, substancjami leczniczymi, mogłyby transportować leki w określone miejsca organizmu.

Na podstawie materiałów prasowych IChF PAN.