Изкуствени микророботи

Неживи частици изпускат нишки, с чиято помощ се движат

Зина СОКОЛОВА

Учени от Софийския университет „Св. Климент Охридски“ в сътрудничество с колеги от университетите в Кеймбридж и „Куин Мери“
(Великобритания), Университета във Варшава (Полша) и Северозападния политехнически университет в Сиан (Китай) публикуваха статия в престижното научно списание Nature Physics – едно от водещите световни издания в областта на физиката. В статията учените описват нов клас от изкуствени микророботи (активни микрочастици), които подобно на биологичните клетки могат да се придвижват самостоятелно, черпейки енергия от околната среда.
Частиците са наблюдавани за пръв път в Катедрата по инженерна и фармацевтична химия на Факултета по химия и фармация в Софийския университет (ФХФ – СУ)
от д-р Диана Чолакова, която е и първи автор на статията. Теоретичният модел за описание на тяхното движение е развит от колегите ѝ в Кеймбридж. Ключова роля за планирането и интерпретацията на системните експерименти има проф. д.х.н. Николай Денков, който е ръководител на екипа от Софийския университет.
„Ако някога режисьор на научнофантастичен филм търси вдъхновение за образите на миниатюрни извънземни роботи, той просто трябва да погледне създадените от учените от България, Полша, Великобритания и Китай.“ Така започва коментарът за статията в популярното издание „Светът на химията“ (Chemistry World).
Очаква се описаният в Nature Physics клас от изкуствени микророботи да открие нови насоки за изследвания в няколко свързани научни области на физиката: активна материя (active matter), изкуствен живот (artificial life) и произход на живота (origin of life).
Д-р Диана Чолакова е завършила Националната природо-математическа гимназия „Акад. Любомир Чакалов“. После записва специалност „Инженерна химия и съвременни материали“ във Факултета по химия и фармация на Софийския университет, след което продължава развитието си в Катедрата по инженерна химия и фармацевтично инженерство на ФХФ – СУ.
„Това е типично за студентите в тази катедра, тъй като изучаваните предмети в специалността са тясно свързани с научните тематики, по които се работи тук – казва д-р Чолакова. – Студентите имат възможност да започнат кръжочна работа още в първи-втори курс. Аз също съм минала по този път. След това продължих с магистратура във Факултета, след което станах докторант. Миналата година защитих дисертация, свързана с тематиката, по която започнах да работя още като студентка.
В момента съм постдокторант в проекта Rota Active, спечелен по програма ВИХРЕН, финансирана от Фонд „Научни изследвания“. Ръководител на проекта е проф. Николай Денков. Това изследване е част от тази програма.“
Темата, която вълнува д-р Чолакова, е свързана с емулсиите и тяхното фазово поведение. Емулсията е дисперсна система от две взаимно несмесващи се течности. Ако смесите масло и вода – ще получите емулсия. Например при готвене често се смесват олио и вода. В този случай обаче вместо малки капки в обема често се виждат големи маслени лещи на повърхността на водата. За да се стабилизират капките, се използва трети компонент – повърхностноактивно вещество (сърфактант). Тези вещества присъстват във всички храни, козметика и битова химия. Повърхностноактивните вещества имат двойствен характер – едната част на молекулата обича водата, а другата – олиото. Затова тези молекули отиват на граничната повърхност между
олиото и водата и така стабилизират малките капки и възпрепятстват сливането им и образуването на големи маслени лещи.
„От своя страна, капките са най-често със сферична форма – казва д-р Чолакова. – Ако вземете мляко с различен процент масленост, това е емулсия от маслени капки във вода, а процентът масленост показва какво е количеството на капките. Ако тези капки можеха да се видят с просто око, то те биха били сферични. Майонезата също се състои от маслени капки във вода. Козметичните кремове често са емулсии, които съдържат подобни капки. Напоследък доста модерни са двуфазните мицеларни води, при разтръскването на които също се образува емулсия. Малките капки винаги са сферични, защото това е природен закон – най-стабилна е формата с най-малка повърхност, тъй като в природата нещата се стремят към минимум на енергията. При нашите изследвания обаче установихме, че е възможно да видим спонтанното образуване и на разнообразни други форми. Например триъгълна, четириъгълна или шестоъгълна капка. Всички тези частици се образуват при бавно охлаждане, като се започва от сферична капка, която се сплесква и образува шестоъгълник. След това някои от страните на частиците растат, докато други се свиват, създавайки набор от геометрични форми. Възможно е да се наблюдава и образуването на нишки, израстващи от острите ъгли на капките, в този случай наричаме тези нишки „пипала“. Докато растат, нишките се огъват във вълнообразни форми и капчиците започват да плуват. За пръв път образуването на несферичните форми в емулсионни капки е наблюдавано в Катедрата преди повече от 15 години при провеждане на изследвания за фазовото поведение на емулсии.“
В основата на изследването са емулсионни системи от алкани във вода. Алканът е веществото с най-проста органична молекула, състояща се от водородни и въглеродни атоми, свързани с прости наситени връзки. Алканите намират широко приложение в индустрията, например под формата на горива и смазочни материали, както и в козметиката – като съставна част от кремове и лосиони. Вазелинът например също се състои изцяло от алкани. За приготвяне на изследваните смеси се използва малко количество алкан, което се поставя във вода, съдържаща сърфактант. След това шишенцето се разтръсква, а в резултат се получават малки сферични емулсионни капки от алкан във вода.
Учените изследват какво е поведението на тези системи при охлаждане. Маслото и водата имат различни температури на топене. Водата се топи на нула градуса, докато маслата, които се използват, се топят при 15 – 30 градуса. Затова, ако една такава смес се подложи на охлаждане – маслото ще замръзне на 10 – 20 градуса, докато водата ще остане в течно състояние. По подобна идея системи с алкани често се използват за климатични инсталации или за съхранение на енергия, тъй като алканите са с много висока латентна топлина (топлина на фазов преход между течно и твърдо агрегатно състояние). Съхранението на енергия може да се осъществи в течен алкан, който при замръзване да отдаде топлината си и тя да се използва за отопление например.
„Моите колеги са изследвали по какъв начин поведението на различни емулсии зависи от вида на сърфактанта – разказва д-р Чолакова. – Установено е, че при част от системите се получава втвърдяване на цялата смес, образувайки гел, макар че маслото в нея е много малко, а основното е вода. Под микроскоп се вижда, че има и несферични частици. В онзи момент не е било ясно защо и как са се получили. Било е изключително странно. Тогава обаче процесът не е изследван, а това става на по-късен етап, който съвпадна със започването на кръжочната ми работа преди около 7 години. Оттогава изучаваме подробно това явление. То е в основата на поредица от над 15 научни публикации, първата от които излезе през 2015 г. в списание Nature. Най-новата е посветена на възможността за движение на капките и е публикувана наскоро в списание Nature Physics.“
В тези изследвания учените разкриват по какъв начин стават деформациите на капките, какви са формите, как може да се направят само четириъгълни частици или само пръчковидни. Учените търсят и отговор на въпроса каква е причината за тези деформации. Когато се получи деформирана капка, това означава, че контактната площ между водата и маслото е увеличена многократно. Това обаче е неизгодно енергетически, поне на пръв поглед, тъй като при по-голяма площ се изразходва по-голяма енергия. Оказва се, че ако са изпълнени специфични изисквания, на повърхността на деформираните частици се образуват т.нар. ротаторни фази. Това са фази с междинни свойства между течността и кристала, нещо като ненапълно подредени кристали.
„Все едно има някаква обвивка върху частицата, а вътре в нея е течност – уточнява Чолакова. –
И понеже молекулите са отдали енергия, за да преминат от течно състояние в ротаторна фаза, печалбата на енергия от това подреждане компенсира нарастването на повърхностната площ на капката. Ако имате допълнително образуване на ротаторна фаза – печелите енергия, която пък задвижва процеса на деформация. И в този случай системата ни се подчинява на принципа за минимална енергия, в случая просто той се изразява по малко по-различен, не особено типичен начин. По-нататък се научихме да получаваме частици с контролирана форма – било то триъгълни, четириъгълни или пръчковидни. Знаехме как да променим условията, така че да променим и поведението на системата.
По подобен начин установихме условията, при които да получаваме и капки, които могат да се движат из разтвора. За да е възможно това, е необходимо капките да изпускат дълги нишки. В този случай между изпуснатата нишка и околната течност се създава сила на триене, която изтласква капката и тя започва да плува из флуида. Балансът между тази сила и силата на триене на основното тяло със заобикалящата го течност пък определя скоростта на движение на капките. Наблюдаваното поведение е изключително нетипично, защото има нещо неживо, което проявява признаци, характерни за живите организми. Най-често първата реакция на хората, които виждат тези движещи се частици, е да кажат, че това са бактерии. Не трябва да забравяме обаче, че системата е изключително проста и в нея няма нищо живо – алкан (масло), вода и малко сърфактант. Изследването на тези плуващи капки продължи няколко години и завърши окончателно през тази година. Публикувахме резултатите в онлайн варианта на списание Nature Physics преди два месеца. През този месец публикацията излезе и на хартиен носител, а илюстрацията на корицата му е от нашата статия.“
Едно възможно приложение на получените дотук резултати е при изследвания на микроорганизмите хламидомонас (Chlamydomonas), казва д-р Чолакова. Те са живи, имат камшичета и малко тяло и като големина са сравними с капчиците. Камшичетата в тези микроорганизми се сгъват и разтварят синхронно и по този начин предизвикват плуване. Учените не са наясно на какво се държи фактът, че движението на пипалата е винаги синхронно. Има две основни теории. Едната е, че синхронизацията се контролира от взаимодействието между различни микроорганизми, които обикновено плуват в групи. Другата – че го налагат вътрешни процеси в клетката. Получените при изследванията синтетични капки, които могат да изпускат нишки, са подходящи за проверка дали има синхронизиране на изпускането и при тях. В този случай няма вътрешна биохимия, която да променя образуването на нишки, а само взаимодействие между капките и заобикалящата ги външна среда – вода. При проведените от екипа експерименти не е наблюдавано подобно синхронизиране на изпуснатите нишки. Движението им винаги е или асинхронно, или пък синхронно – както започне отначало, така продължава и до края. Оттук може да се каже, че синхронизацията при Chlamydomonas вероятно се дължи на вътрешни процеси в едноклетъчните, казва в заключение Диана Чолакова.