Polacy odkryli nowe zjawisko. Półpłynne łańcuchy wyciągane z morza mikrocząstek

Elektroda powoli odsuwa się od powierzchni cieczy. Za nią, jedna po drugiej, wyciągane są kolejne kuliste drobiny, jeszcze przed chwilą rozmieszczone chaotycznie w koloidalnym roztworze. Nad cieczą samoczynnie formuje się długi, regularny łańcuszek mikrocząstek – zjawisko nigdy wcześniej nie obserwowane.

Po raz pierwszy zauważyli je, zbadali i opisali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu (UAM), Northwestern University w Evanston (Illinois, USA) oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW). To spektakularne zjawisko opisano w znanym czasopiśmie Nature Communications.

Choć odkrycie jest świeże, wydaje się, że atrakcyjne właściwości koloidalnych i ziarnistych łańcuchów zostaną szybko wykorzystane. Już teraz trwają prace nad użyciem zjawiska do produkcji cienkich, przewodzących struktur osadzanych na podłożach o różnej chropowatości i właściwościach. Struktury te mogłyby być elementami np. elastycznych układów elektronicznych. Potencjalnie łańcuchy można byłoby tworzyć także z żywych komórek, co otwierałoby drogę do ewentualnych zastosowań biotechnologicznych czy nawet medycznych.

– Zapewne każdy miał okazję widzieć u mamy czy babci naszyjniki z korali nawleczonych na nić. Łańcuchy mikrocząstek, wytwarzane i badane przez nasz zespół, są do nich z wyglądu bardzo podobne, lecz mają znacznie mniejsze rozmiary. Najciekawsza jest jednak działająca tu fizyka. Za powstawanie tych regularnych struktur odpowiada zespół wcale nietrywialnych zjawisk, a rolę nici łączącej poszczególne drobiny pełni… ciecz. Co więcej, nić w naszyjniku przechodzi przez środki koralików, podczas gdy nasza nić, czyli ciecz, mikrocząstki otacza – mówi dr Filip Dutka (FUW).

– Samo odkrycie zjawiska – do czego doszło w trakcie doświadczeń prowadzonych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN – było dość przypadkowe – wspomina dr Zbigniew Rozynek, główny autor publikacji w czasopiśmie „Nature Communications”, obecnie pracujący na Wydziale Fizyki UAM. – Za pomocą elektrody pod napięciem kilkuset woltów badałem szklane mikrobańki pływające na powierzchni oleju. W pewnej chwili wyciągnąłem elektrodę z cieczy i ze zdziwieniem zauważyłem na jej końcu długi, bardzo regularny łańcuszek, który po obejrzeniu pod mikroskopem okazał się mieć grubość pojedynczej drobiny – dodaje.
 

Odkryte zjawisko wizualnie przypomina jeden z najważniejszych procesów technologicznych współczesnej cywilizacji: opracowaną przez prof. Jana Czochralskiego metodę hodowli monokryształów, polegającą na wolnym wyciąganiu pręta z zarodkiem krystalizacji z roztopionego materiału. Metoda, pozwalająca wytwarzać wysokiej jakości półprzewodniki dla przemysłu elektronicznego, podobno także narodziła się przypadkiem. Prof. Czochralski w trakcie robienia notatek miał w roztargnieniu zanurzyć stalówkę swego pióra zamiast w kałamarzu, w stojącym obok tygielku ze stygnącą cyną. Gdy szarpnął ręką by wyciągnąć pióro, na końcu stalówki uformowała się nić, która po zbadaniu okazała się kryształem.

– Materiały produkowane metodą Czochralskiego to kryształy, czyli substancje o budowie regularnej w każdym z trzech wymiarów przestrzennych. My wytwarzamy nasze struktury nie z atomów czy cząsteczek, lecz z mikrodrobin ułożonych regularnie tylko w jednym wymiarze. Z pewną dozą umowności nasze łańcuchy można więc traktować jako kryształy, tyle że jednowymiarowe – mówi dr Rozynek.

Jak zbudować koloidalny łańcuch? Wystarczy wziąć naczynie z nieprzewodzącą cieczą, dodać kuliste i przewodzące drobiny, całość wymieszać. Gdy do tak przygotowanej zawiesiny zbliżymy elektrodę (np. w kształcie igły), jej koniec przyciągnie którąś kulkę. Ponieważ ta przewodzi prąd, staje się przedłużeniem elektrody. Przy odpowiednio dobranej wartości napięcia możliwe staje się wyciąganie z cieczy kulki za kulką, co skutkuje uformowaniem się łańcuszka drobin otoczonych warstewką cieczy. Między każdą parą „ogniw” ciecz tworzy mostek kapilarny, przyciągający sąsiednie drobiny do siebie. Powstają wtedy stałe w czasie styki elektryczne. Dzięki nim prąd płynie przez cały łańcuch niemal równie wydajnie jak przez pojedynczą drobinę i w efekcie ostatnio dołączona kulka jest w stanie przyciągnąć kolejną z roztworu.

– W uformowanym łańcuchu mostki kapilarne, kształtem przypominające klepsydrę, znajdują się między wszystkimi kolejnymi kulkami. Po wyłączeniu napięcia ich rola staje się wręcz kluczowa: przyciągając kulki do siebie, odpowiadają za utrzymanie łańcucha w całości. A ponieważ mostki kapilarne to po prostu ciecz, uformowany łańcuch pozostaje konstrukcją bardzo giętką – wyjaśnia dr Dutka.

Łańcuchy mikrocząstek powstają w wyniku złożonej gry oddziaływań o charakterze elektrycznym, grawitacyjnym i kapilarnym (a więc związanych z istnieniem napięcia powierzchniowego cieczy). W tym towarzystwie grawitacja pełni rolę czarnego charakteru: nożyczek przecinających zbyt ciężki łańcuch. Wiele wskazuje, że łańcuchy mogłyby się tworzyć także w stanie nieważkości, gdzie ich długość mogłaby być praktycznie dowolna.

– Po uformowaniu nasze konstrukcje z mikrodrobin zachowują się właśnie jak łańcuchy: są elastyczne i można je wyginać w różne kształty. Sporo zależy jednak od rodzaju użytych cieczy. W niektórych eksperymentach wyciągaliśmy łańcuchy z roztopionej parafiny. Chwilę po wyciągnięciu mostki zastygały i całość sztywniała. Możliwy jest też wariant pośredni. Jeśli weźmiemy np. mieszaninę żywicy z alkoholem, po odparowaniu alkoholu żywica zgęstnieje. Łańcuch straci wtedy sporo na elastyczności, jednak nie będzie całkowicie sztywny – zauważa dr Rozynek.

Długość łańcuchów koloidalnych zależy od liczby i ciężaru mikrocząstek, co zazwyczaj ma ścisły związek z rozmiarami tych ostatnich. Polscy badacze, finansowani z grantów Narodowego Centrum Nauki i Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, przeprowadzili eksperymenty dla cząstek o średnicach od ok. 100 nanometrów do 200 mikrometrów. Łańcuchy wytworzone z mikronowych cząstek liczyły nawet kilka tysięcy elementów i osiągały długość rzędu kilkunastu centymetrów.