Самосборка микрочастиц

Российские ученые из МГТУ имени Н. Э. Баумана и Института физики твердого тела РАН совместно с коллегой из Германии разработали новую экспериментальную установку для фундаментальных и прикладных исследований самоорганизации микрочастиц в растворах под действием вращающегося электрического поля. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), результаты опубликованы в журнале Scientific Reports, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.

Созданная в МГТУ имени Баумана экспериментальная установка позволяет изучать самоорганизацию коллоидных частиц, которой управляют благодаря «регулировке» взаимодействия между отдельными частицами. Самоорганизация (или самосборка) — это формирование упорядоченных структур за счет взаимодействия между частицами, без внешнего специфического воздействия, хотя оно и может оказывать стимулирующее (или подавляющее) влияние. В экспериментах на созданной учеными установке таким воздействием является внешнее вращающееся электрическое поле.

«Когда частицы в растворе оказываются во внешнем электрическом поле, вдоль линий поля возникает притяжение, а в поперечном направлении частицы начинают отталкиваться. Но если внешнее электрическое поле быстро вращается, то в результате усреднения взаимодействия между частицами остается только притяжение. Мы можем управлять этим притяжением, регулировать его, меняя магнитуду электрического поля. Таким образом, мы получаем систему, в которой видим коллоидные частицы, можем наблюдать, как они движутся, и управлять взаимодействием между ними. Вдали эти частицы притягиваются, а вблизи отталкиваются, то есть ведут себя подобно истинным молекулярным системам», — пояснил руководитель проекта РНФ, ведущий научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана Станислав Юрченко.

Разработанная установка состоит из экспериментальной ячейки, системы электродов, расположенных вокруг нее, и оптического блока. В ячейку помещается коллоид (жидкость с нерастворимыми в ней микрочастицами), электроды создают управляющее электрическое поле, а оптический блок служит для визуализации и видеозаписи движения частиц. Самосборку частиц в кластеры и фазовые переходы в них можно наблюдать в режиме реального времени.

Самосборка микрочастиц. Фото: Станислав Юрченко

Установка дает возможность проводить эксперименты, углубляющие понимание поведения материи на уровне отдельных частиц, так как позволяет наблюдать за перемещениями и взаимодействием коллоидных частиц, движения которых сходны с движениями молекул и атомов. Сами эти объекты слишком малы, чтобы их можно было визуализировать в режиме реального времени. В коллоидных суспензиях можно изучать кристаллизацию, плавление, влияние дефектов на свойства кристаллов, поверхностные явления, например, процессы переноса на поверхности раздела жидкости и газа.

Ученые также нашли оптимальные режимы работы установки для будущих фундаментальных и прикладных исследований. Благодаря возможности изменять параметры управляющих полей, их геометрию и амплитуду, можно задавать самые разнообразные условия взаимодействия между коллоидными «псевдоатомами», чтобы понять роль притяжения в фундаментальных явлениях и технологических процессах.

«Раз вы управляете притяжением, вы можете эффективно регулировать состояние, в котором пребывают коллоидные частицы (или «псевдоатомы»). Вы можете наблюдать и газ, и жидкость, и кристаллы, и явления с их участием. Все это открывает новые горизонты в исследованиях с разрешением отдельных частиц, так как взаимодействия, с которыми мы имеем дело, похожи на молекулярные, регулируются внешним полем и могут быть легко визуализированы в режиме реального времени. Можно использовать частицы разных сортов, побольше и поменьше, или, например, из разных материалов, тогда они взаимодействуют по-разному, обеспечивая аналогию с многокомпонентными системами, сплавами. Можете поместить в установку биологические клетки, например, клетки крови, создать искусственное уплотнение и изучить коллективное поведение в этом случае, можно собирать кластеры и кристаллы из клеток, которые не повреждаются электрическим полем», — описал возможности разработанной установки Юрченко.

Преимуществом созданной установки и технологии ученые также называют обратимость всех операций: электрическое поле индуцирует самосборку, благодаря чему можно собрать частицы в кластеры, но если поле отключить, то частицы «разбегутся» и система вновь станет однородной.