Oddziaływania elektrostatyczne mogą sprawić, że mikroobiekty w cieczy zaczną tworzyć stabilne pary – pokazały teoretyczne analizy w IPPT PAN. Jeśli to nowe zjawisko uda się potwierdzić w doświadczeniach, być może przyda się ono np. przy oczyszczaniu wody czy produkcji leków.
Oddziaływania elektrostatyczne to te same oddziaływania, które sprawiają, że włosy elektryzują się nam przy zdejmowaniu czapki. Wywołują też to okropne “kopnięcie”, które odczuwamy, kiedy czasem po przejściu przez wykładzinę dotykamy klamki. Nie mówiąc już o piorunach podczas burzy… Elektrostatyka to nasza stara znajoma, która wydawałoby się, że już od dawna nie ma przed nami tajemnic. A jednak.
Teoretyczne analizy zespołu prof. Marii Ekiel-Jeżewskiej przeprowadzone w Pracowni Fizyki Płynów Złożonych Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN pokazały, że mogą istnieć konfiguracje mikroobiektów, które będą ze sobą stabilnie połączone wcale nie wiązaniami chemicznymi, ale właśnie siłami elektrostatyki. Pod warunkiem, że ma to miejsce w cieczy, a mikroobiekty te opadają pod wpływem grawitacji.
To zaskakująca wiadomość! “Zajmuję się fizyką układów w skali mikro od wielu lat, ale dotąd nie słyszałam o istnieniu mikroobiektów, które tworzyłyby takie stabilne pary” – mówi PAP prof. Maria Ekiel-Jeżewska.
Wyniki pracy prof. Ekiel-Jeżewskiej i jej doktoranta, Chrisa Trombleya amerykańskiego matematyka i fizyka, ukazały się w grudniu w prestiżowym czasopiśmie „Physical Review Letters”. To badania teoretyczne. Teraz czas dla eksperymentatorów, aby takie układy mikroobiektów znaleźć w doświadczeniach.
ZASTOSOWANIA
“Obiektami o wielkości mikrometrów są np. bakterie, glony czy krwinki czerwone” – mówi prof. Maria Ekiel-Jeżewska. Okazuje się, że w środowisku wodnym można dobrać do takich opadających grawitacyjnie obiektów inne mikroobiekty tak, że połączą się one w pary siłami elektrostatycznymi. I pary te będą funkcjonować tak, jakby tworzyły nową całość. Kiedy jeden z obiektów spróbujemy odciągnąć od drugiego, on spontanicznie będzie wracał na swoje miejsce.
Kto wie, może siły elektrostatyki – kiedy już takie stabilne pary zaobserwujemy w eksperymentach – uda się kiedyś zaprząc do produkcji nowoczesnych nośników leków. Nowe zjawisko, o którym pisze zespół z IPPT PAN może się też przydać w produkcji nowoczesnych sposobów na oczyszczanie wody. Być może wyniki tych badań przydadzą się w rozwoju mikrofluidyki, układów Lab-on-Chip, medycznej diagnostyki czy ochrony środowiska, lub w jakiś inny sposób, którego dziś nie sposób przewidzieć. Wynikami tej pracy mogą być też zainteresowani badacze pracujący przy eksperymentach z bakteriami czy glonami – wymienia autorka.
ELEKTRYZUJĄCE ODKRYCIE
Mikrocząstki często mają gęstość większą niż gęstość cieczy, w której są zanurzone. Wystawione na działanie grawitacji opadają więc w dół (jest to tzw. sedymentacja). Naukowcy zastanawiali się, jak wprowadzenie ładunku do tych cząstek wpłynie na proces sedymentacji. “Wspólnie z Chrisem Trombley`em pokazaliśmy, że naładowane mikrocząstki opadające grawitacyjnie w nienaładowanym płynie mogą spontanicznie zmieniać swoje położenia – tak aby utworzyć pary, w których większa i mniej gęsta cząstka znajduje się ponad mniejszą i bardziej gęstą, w ściśle określonej odległości” – opowiada prof. Ekiel-Jeżewska.
Może być więc tak, że obiekty o przeciwnych ładunkach – otoczone cieczą – nie “spadną na siebie” i nie nastąpi między nimi przepływ ładunków. Zupełnie inaczej niż w próżni, gdzie ładunki nie mogą tworzyć stacjonarnych układów, zgodnie z twierdzeniem udowodnionym przez brytyjskiego matematyka Samuela Earnshawa już w 1842 r.
“Płyn działa na konfigurację stabilizująco. Gdyby go nie było, te obiekty zlepiłyby się ze sobą. Ale jeśli wchodzą między nie np. nienaładowane cząsteczki wody i dajemy działać grawitacji, to istnieje równowaga między elektrostatycznym przyciąganiem mikrocząstek a ich odpychaniem wywołanym przez płyn oraz grawitację. Układ jest stabilny” – opowiada rozmówczyni PAP.
Na początku fizycy badali oddziaływania między parami przeciwnie naładowanych identycznych cząstek. Tu równania nie pokazały im nic ciekawego. Nie ma się czemu dziwić. Gdyby taka prosta zależność istniała, pewnie już dawno by ją zauważono. Co innego jednak pojawiło się, kiedy zaczęto analizować układy przeciwnie naładowanych cząstek par różniących się od siebie – wielkością i gęstością. Tu zauważono zjawisko do tej pory nieznane.
Naukowcy z IPPT PAN są teoretykami. A teraz pora na doświadczenia. W swojej pracy fizycy podsuwają eksperymentatorom pomysły, jak dobierać takich kandydatów na elektrostatycznych partnerów.
PAP – Nauka w Polsce
Ludwika Tomala
Wspieraj niezależne wydawnictwo:
Podoba Ci się to co robimy? Wesprzyj projekt Magna Polonia!
