O krok bliżej do stworzenia ruchomego, niemalże żywego kryształu
Systemy biologiczne wykazują zbiorowe zachowania, które odpowiedzialne są za niesamowite wyczyny i zapierające dech w piersiach wzorce występujące w naturze. Ławice ryb, kolonie bakterii lub stada ptaków wykazują błyskawiczne zachowania adaptacyjne – swego rodzaju porozumienie pomiędzy poszczególnymi jednostkami – i samoczynnie organizują się w zbiorowe struktury, pomimo ich pozornej indywidualnej losowości. Przykłady takiej samoorganizacji są wszechobecne w przyrodzie, a najlepszym sposobem na zrozumienie czegoś – np. życia – jest stworzenie go samemu. Zbiorowe zachowanie rojów jest łatwiejsze do zbadania w przypadku „aktywnych” cząstek niż żywej materii. W ramach ostatnich prac doświadczalnych zademonstrowano, jak światło pobudzało przypominające żywe organizmy pływające mikromaszyny – cząstki syntetyczne – do poruszania się, a następnie łączenia się w grupy, podobnie jak w przypadku ptaków, które łączą się w stado i poruszają się razem w locie. Pomimo postępów w tej dziedzinie badania skupiały się dotychczas na koloidach, zawiesinach cząstek, w cieczy. „Niewiele wiadomo na temat tego, jak zachowują się cząstki aktywne w gęstszych koloidach fazowych, takich jak struktury krystaliczne i szkliste. Cząstki aktywne osadzone w strukturach przypominających ciało stałe mogą posłużyć za obiecujący budulec do projektowania nowych dynamicznych, ruchomych materiałów”, wyjaśnia Ivo Buttinoni, koordynator finansowanego ze środków UE projektu MicACol.
Obserwacja sposobu pływania cząstek Janusa w kryształach
W ramach projektu zaprezentowano przykłady dwuwymiarowych struktur aktywnych, badając siły krytyczne, jakie muszą pokonać cząstki aktywne, aby wprawić strukturę krystaliczną w ruch. Przekształcanie energii w samoczynny napęd w mikro- i nanoskali jest szczególnie trudne. „Podczas gdy obiekty makroskopowe wykorzystują do pływania w cieczy zjawisko bezwładności, mikro- i nanocząstki w wodzie zachowują się tak, jakby były zanurzone w płynie o bardzo wysokiej lepkości, takim jak miód czy płyn nienewtonowski, w którym bezwładność nie odgrywa żadnej roli. Aby pływać, cząstki koloidalne muszą przełamać tzw. symetrię odwrócenia czasu, co oznacza, że muszą mieć one właściwości asymetryczne”, wyjaśnia Buttinoni. Kuliste cząstki, których powierzchnia ma dwie różne właściwości fizyczne, takie jak powleczone w połowie kulki, są idealnym obiektem do badania tego zjawiska naruszenia symetrii. Dwie półkule tych cząstek Janusa oddziałują z otaczającą je substancją w różny sposób i powstają na nich lokalne gradienty termiczne lub chemiczne. Badacze projektu MicACol wykorzystali popularny schemat samoczynnego napędzania, który polega na częściowym pokryciu cząstek platyną i zanurzeniu ich w roztworze wody i nadtlenku wodoru. Koloidy ulegały samoczynnemu napędzaniu się w wyniku rozkładu (katalizowania) nadtlenku wodoru przez półkulę pokrytą platyną. Na początek w ramach projektu wykazano, że na styku dwóch cieczy kuliste cząstki wykazują siły odpychające o dalekim zasięgu. „Samoczynnie napędzane cząstki zachowywały się tak, jakby były napędzane siłą czynną proporcjonalną do ich prędkości swobodnego płynięcia. Przewidujemy, że tę samą zasadę można zastosować do bardziej złożonych struktur, takich jak szkła koloidalne”, dodaje Buttinoni.
Opuszczanie stanu równowagi
Do tej pory większość eksperymentów polegała na dodawaniu do struktur aktywnych cząstek przypominających intruzów, zajmujących losowe pozycje z dala od punktów struktury. W ramach eksperymentu będącego częścią projektu MicACol przyjęto inne podejście do badania mechaniki cząstek w warunkach braku równowagi. „Naszym celem było określenie krytycznych sił niezbędnych do wyprowadzenia aktywnych cząstek z ich pozycji równowagi w strukturze”, wyjaśnia Buttinoni. „Pomiar lokalnych (odpychających) sił oferuje dodatkowe »pokrętło« do sterowania ruchem pływających mikrocząstek w obrębie kryształu. Dzięki temu wiemy, jaki typ aktywnych cząstek należy dodać, aby struktura krystaliczna była aktywna”. Naukowcy mogą być wciąż jeszcze daleko od stworzenia stałej, sztucznej materii aktywnej, na przykład dynamicznych/ruchomych materiałów trójwymiarowych, jednakże badacze projektu MicACol zeszli z utartej ścieżki, przesuwając granice dziedziny.
Słowa kluczowe
MicACol, cząstki aktywne, koloidy, niemalże żywy kryształ, samoorganizacja, cząstki Janusa, samoczynny napęd
