Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci vyvinuli techniku, díky níž mohou spontánně uzavřít mikroskopické kapičky vodní a olejové emulze do malé koule z krystalů solí (obecně, nejen soli kuchyňské). Vše má fungovat jako miniaturní, samočinně se stavějící fotbalový míč naplněný kapalinou. Proces autoři výzkumu označují jako „krystalové kapilární origami“ (crystal capillary origami); mohl by najít využití např. k přesnějšího podávání léků, v potravinářském nebo kosmetickém průmyslu či nebo obecně umožnit nové lékařské přístroje v pracující nanorozměrech.
Samotná kapilarita je způsobena silami koheze (tendence molekul kapaliny držet pohromadě), což má za následek povrchové napětí, a adheze (jejich tendence přilnout k povrchu jiných látek). Síla kapilarity závisí na chemickém složení kapaliny, chemickém/mechanickém složení povrchu a na dalších silách, které na ně obě působí.
Příbuzným jevem je elastokapilarita, která využívá vztahu mezi kapilaritou a pružností velmi malého plochého listu pevného materiálu. Za určitých okolností mohou kapilární síly překonat pružný odpor ohybu listu. Právě elastrokapilarita je základem nového výzkumu. Když se na plochý list umístí kapka kapaliny, může list vlivem povrchového napětí kapalinu samovolně uzavřít. „Kapilární origami“ ovšem může fungovat i jinak, dojde třeba k vrásnění, prohýbání nebo samovolného skládání do jiných tvarů. Konkrétní geometrický tvar, který 3D struktura kapilárního origami nakonec získá, je určen jak chemickým složením ploché fólie a kapaliny, tak i tvarem a velikosti fólie.
Tato malá zařízení však zatím měla jedno podstatné omezení. „Konvenční samosložené struktury origami nemohou být zcela kulovité a vždy budou mít nespojité hranice, nebo něco, co by se dalo nazvat okraji, což je důsledek původního dvourozměrného tvaru listu,“ uvádí vedoucí výzkumného projektu Kwangseok Park. Hrany mohou být pak slabým místem materiálu při jeho mechanickém namáhání; pro některé aplikace také požadujeme kulový tvar z jiných důvodů (např. minimalizace povrchu vzhledem k objemu apod.).
Autoři nové studie dokázali poprvé vytvořit naopak obal v podobě koule. Namísto plochého listu totiž kapilární origami nechali složit z rostoucích solných krystalů – to je právě ono „krystalové kapilární origami“ výše. Pomocí stejných sil, tedy hlavně povrchového napětí, dojde ke spontánními zapouzdření kapaliny v krystalech, a tentokrát vznikají koule.
Konkrétně výzkumníci jev demonstrovali na 4 různých solích, šlo propionan vápenatý, salicylát sodný, tetrahydrát dusičnanu vápenatého a hydrogenuhličitan sodný; obalena byla vždy emulze vody a oleje, a to pomocí forem soli označovaných jako krystalitové destičky.
Pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a rentgenové difrakční analýzy pak vědci podrobněji zkoumali celý mechanismus a dospěli k závěru, že jeho základem je Laplaceův tlak, který pohání krystalitové destičky k pokrytí povrchu emulze. Laplaceův tlak popisuje rozdíl tlaku mezi vnitřní a vnější stranou zakřiveného povrchu způsobený povrchovým napětím na rozhraní dvou látek, v tomto případě mezi slanou vodou a olejem.
Kwangseok Park et al, Crystal capillary origami capsule with self-assembled nanostructures, Nanoscale (2021). DOI: 10.1039/d1nr02456f
Zdroj: The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) / Phys.org
