Фізика
Біологія
Фізика
Біологія

Олійні краплі поплавали у воді та відновили рух після зупинки

Краплі змішаної з ПАР олії самоорганізувалися, відростили хвостики та поплавали у воді 12 хвилин. Після вони використали нагрівання води, щоб перезарядитися, та знову почали рухатися басейном. Своїх мікроплавців фізики виростили, щоб досліджувати складну поведінку активної матерії як-то біологічні мікроорганізми чи еритроцити в крові. Про свою самостійну краплю-плавця вчені повідомили у Nature Physics.

Nature Physics, 2021

Nature Physics, 2021

Навіщо вченим пливучі олійні краплі?

Пересування і перенесення мікроорганізмів в рідинах — важливий аспект життя. Пересування обумовлює пошук їжі, орієнтацію на світло, поширення потомства і утворення колоній. Бактерії на кшталт кишкової палички виявляють градієнти поживних речовин і переміщаються до місць з вищою концентрацією, а сперматозоїди морських їжаків долають океанічні течії у пошуках яйцеклітини. Плавання у мікромасштабах відбувається за низьких чисел Рейнольдса, коли тертя і в'язкість рідини переважають над інерцією. Еволюція створила рухові механізми, які долають опір і навіть використовують його. Найбільш помітними рушійними механізмами є обертові спіральні джгутики, які використовуються багатьма бактеріями, чи змієподібні і хлистоподібні рухи джгутиків еукаріотів, використовувані сперматозоїдами і водоростями. Однак, досі ми не знаємо всіх особливостей механізмів такого руху у так званої «активної матерії». І, наприклад, для вивчення великих скупчень мікрочастинок вчені користуються допомогою хімічно активних частинок (як правило, каталізаторів), здатних самостійно рухатися, потрапивши в середовище, що містить хімічне «паливо».

Так з'являються теоретичні роботи по рухливості клітин, розрахунки кінематики плавання за допомогою джгутиків і гідродинамічних взаємодій. Самостійно свій рух такі штучні мікроплавці не контролюють, проте вчені вміють рухати їх за допомогою світла або магнітних полів. Втім, створення мінімальної моделі плавця, яку легко створити (наприклад, коли вона самоорганізовується) і яка працює в біологічно сумісному середовищі, залишається складним експериментальним завданням. У своїй роботі вчені представили новий клас активних мікроплавців, вирощених методом молекулярної самоорганізації з використанням всього трьох простих компонентів: крапель олії і води, що містить розчинену поверхнево-активну речовину (ПАР). Для проведення експерименту їм знадобився лише оптичний мікроскоп та можливість регулювати температуру у басейні, куди краплі випустили у плавання.

Хто плавав під мікроскопом?

Із ПАР, води та олії вчені створили мікроплавців, які спонтанно самоорганізуються і плавають без використання зовнішніх сил — вони послуговуються поверхневими фазовими переходами, викликаними коливаннями температури. Плавці при охолодженні басейну починали рухатися до десятків хвилин, причому з допомогою тонких еластичних хвостиків, які вони самостійно виростили. Цікаво, що при нагріванні ті ж краплі «перезаряджаються», втягуючи хвости, які потім знову з'являться за охолодження — витягнуться на довжину в один-три атома. Температурні коливання у межах п'яти градусів Цельсію дали змогу краплям використовувати тепло навколишнього середовища. Для руху крапель мають одночасно виконуватися дві основні умови: ПАР має бути більше за олію, щоб адсорбційні шари поверхнево-активної речовини замерзли раніше, ніж внутрішня частина краплі, а також дуже низька швидкість охолодження, щоб краплі встигали сформувати плавця до їхнього повного замерзання.

Краплі відростили хвостики і попливли за темпу охолодження в 0,4 градуса Цельсію. Diana Cholakova et al. / Nature Physics, 2021

Краплі відростили хвостики і попливли за темпу охолодження в 0,4 градуса Цельсію. Diana Cholakova et al. / Nature Physics, 2021

Як вони попливли?

При охолодженні краплі викидають тонкі еластичні нитки, які через взаємодію в'язкого тертя з рідиною штовхають краплі і провокують плавання. Крапля набуває сфероподібної форми з чотирма (або п'ятьма) «шпильками», розташованими в кутах тетраедра (або п'ятикутної піраміди з чотирикутною підставкою). Один або два шипи перетворюються на сопла, які швидко виштовхують матеріал зі сфери і утворюють довгі нитки з однаковим діаметром. Причому плавці з одним хвостом переважно утворюються за більш низьких швидкостей охолодження, тоді як основна частина плавців має два хвости, якщо крок зміни температури складає половину градуса. Одно- і двохвості краплі можуть утворюватися одночасно, якщо інтервал швидкості охолодження складає 0,2 — 0,3 градуса. Втім, помітної залежності кількості утворених хвостів від розміру крапель вчені не помітили. Час, протягом якого можна спостерігати плавання також залежать від швидкості охолодження. Наприклад, при швидкості охолодження 0,5 градуса на хвилину, час руху складає від п'яти до десяти хвилин, тоді як за нижчої швидкості охолодження у 0,15 градуса на хвилину — всі 20.

За подальшого нагрівання води хвостики повністю втягуються, повертаючи краплі в їхній початковий стан, таким чином заряджаючи систему. Ці явища виникають завдяки внутрішньому фазовому переходу з рідини у пластичного плавця на поверхні крапель. Втягування хвостика відбувається завдяки додатному міжфазному натягу на межі поділу олія-вода, яка втягує хвостик всередину, щоб мінімізувати міжфазну площу рідини. Так і волокно, і крапля притягуються до однієї точки на соплі, що призводить до зникнення хвилеподібного руху системи.

Крапля втягує хвіст, щоб перезарядитися за нагрівання на 3 градуси Цельсію у хвилину. Diana Cholakova et al. / Nature Physics, 2021

Крапля втягує хвіст, щоб перезарядитися за нагрівання на 3 градуси Цельсію у хвилину. Diana Cholakova et al. / Nature Physics, 2021

І в природі хтось поводиться так само?

На думку вчених, за їхнім експериментом можливо вивчати і взаємодії між штучними і біологічними плавцями, і поведінку бактерій. Наприклад, хвилеподібний рух крапель у деякій мірі нагадує рух декількох еукаріотичних мікроорганізмів, які плавають, розмахуючи гнучкими джгутиками. А краплі із двома хвостиками схожі на дводжгутикові водорості Chlamydomonas reinhardtii, про які ми досі не знаємо, як вони ті джгутики синхронізують. Так, теорія про гідродинамічну взаємодію не підходить, бо за водоростями помітили внутрішньоклітинні зчеплення, а тому сторонній вплив радше грає посередницьку роль у координації биття. І створені вченими пливучі краплі якраз ідеальна експериментальна платформа, щоб це перевірити — вони також можуть утворювати два хвостики і також синхронізуються. Експерименти дають змогу припустити, що на відстанях, порівняних з розмірами крапель, гідродинамічні взаємодії занадто слабкі, щоб викликати помітну зміну різниці фаз і спотворити синхронізацію волокон. Також можливість крапель перезаряджатися дає змогу перевіряти з їхньою допомогою живі системи, що також вміють енергію зі змін у навколишньому середовищі (наприклад, в циклах день - ніч).