Физики из Германии впервые построили микрокапсулу из двух жидкостей, которая не разрушается во время движения. Для этого ученые использовали нематический жидкий кристалл как материал оболочки: в ней сила упругости уравновешивает силу лобового сопротивления, возникающую из-за циркуляции жидкости внутри капли, и капля остается стабильной. Более того, капля самопроизвольно ускоряется, выбрасывая материал оболочки в окружающую среду. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Ученые давно разрабатывают управляемые микроскопические устройства. Помимо очевидных применений в медицинских целях — например, для направленной доставки лекарств в органы — такие устройства также необходимы для создания микросенсоров и микрореакторов. Один из самых распространенных (и самых простых) примеров такого устройства — это микрокапсула, собранная из двух несмешивающихся жидкостей. Фактически такая капсула представляет собой каплю-в-капле, ядро, окруженное сферически симметричной оболочкой. За последние десять лет с помощью микрокапсул ученые научились хранить лекарства и еду, проводить контролируемые химические реакции, собирать искусственные клеточные мембраны и искать определенные виды бактерий.
К сожалению, жидкие микрокапсулы очень легко разрушаются: стоит сместить ядро относительно центра капли, и ее оболочка начинает истончаться. В конце концов оболочка разрывается, а содержимое капли вытекает. Из-за этого жидкую микрокапсулу практически невозможно сдвинуть с места. Получается, что такие устройства не подходят для важнейшего практического применения — направленной доставки лекарств, — хотя и имеют множество других достоинств.
Группа физиков под руководством Бабака Хокмабада (Babak Hokmabad) исправила этот существенный недостаток. Для этого ученые заменили жидкость, образующую оболочку капли, нематическим жидким кристаллом. Оказалось, что благодаря нарушению симметрии такая оболочка создает анизотропные химические и поля и неоднородные гидродинамические силы, которые удерживают ее в равновесии. Более того, физики показали, что с помощью этих сил можно управлять движением капли, заставляя ее самопроизвольно ускоряться.
В качестве материалов для капсулы ученые выбрали воду и нематический жидкий кристалл 5CB (4-Циано-4’-пентилбифенил). Для создания капель физики пропускали нематик через узкую трубочку с двумя подводящими трубками для воды: с помощью первой трубки ученые впрыскивали каплю в нематик, а с помощью второй «отрезали» очередную каплю. Характерный размер капли составлял несколько десятков микрометров. Затем исследователи помещали каплю в раствор поверхностно-активного вещества (anionic surfactant TTAB). Перемещения капель в таком растворе ученые отслеживали в микроскоп и записывали на видео.
В результате оказалось, что капли сохраняют стабильность в течение долгого времени даже в тех случаях, когда внутреннее ядро сильно смещено относительно центра капли. При температуре около 24 градусов капли в среднем «жили» около получаса. Более того, на протяжении этого времени капли самопроизвольно ускорялись, выбрасывая часть вещества в окружающую среду. При этом оболочка капли постепенно истончалась, хотя и не разрушалась полностью, а движение капли замедлялось. Распадалась капля только тогда, когда отношение радиуса внутреннего ядра к толщине оболочки достигало двадцати. Капли с изотропной оболочкой в тех же условиях распадались в сто раз быстрее, не успевая добраться до состояния тонкой оболочки. Например, при температуре порядка 35 градусов, при которой 5CB теряет дальний порядок и перестает быть жидким кристаллом, капли в среднем жили около минуты.
(a) Поляризованные изображения покоящейся и плывущей капли. (b) Фотографии плывущей капли в разные моменты времени. (c) Траектория движения капли. Цветом показан радиус ее оболочки. (d) Зависимость средней скорости (красный) и радиуса оболочки (синий) от времени
Чтобы объяснить, почему капли так долго остаются стабильными, физики численно смоделировали поведение ядра внутри капли. С одной стороны, внутри капли постоянно циркулирует жидкость — следовательно, на ядро действует сила лобового сопротивления, которая пытается вытолкнуть его из капли. Эту силу ученые нашли, численно моделируя циркуляцию жидкости. С другой стороны, сила упругости стремится вернуть его в центр капли. Чтобы найти эту силу, ученые рассчитали энергию упругих деформаций капли и продифференцировали ее по радиусу. В результате оказалось, что около границы оболочки обе силы по порядку равны 100 пиконьютонам и примерно уравновешивают друг друга.
Чтобы проверить это утверждение, ученые также рассмотрели поведение капель с несколькими водяными ядрами. И численные расчеты, и эксперимент показали, что такие капли также остаются стабильными на протяжение долгого времени. Тем не менее, дополнительное ядро сильно сказывается на том, как капля будет выбрасывать материал оболочки в окружающую среду. Поэтому ученые считают, что с помощью таких капель вполне можно направленно доставлять лекарства или другие вещества. Более того, их можно заставить выпустить вещество в заданной точке, нагрев их и превратив жидкий кристалл в обычную изотропную жидкость.
В настоящее время микророботы редко используются для направленной доставки лекарств, однако ученые постепенно совершенствуют эту технологию. Например, в ноябре 2016 года китайские химики разработали микрочастицы, которые самостоятельно перемещаются за счет химического топлива и ориентируются по свету. В 2017 инженеры из США и Нидерландов построили микророботов, которые перемещаются и захватывают объекты в ответ на изменение температуры. Чаще же всего ученые управляют миниатюрными устройствами с помощью внешнего магнитного поля, заставляя роботов перетаскивать объекты и доставлять их в нужные органы.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение