Matematik muliggør tilpassede arrangementer af flydende dukker

Mens de fascinerende klatter i en klassisk lavalampe kan virke magiske, de farverige former bevæger sig som reaktion på temperatur-inducerede ændringer i tæthed og overfladespænding. denne proces, kendt som væske-væske faseadskillelse, er afgørende for mange funktioner i levende celler, og spiller en rolle i fremstillingen af ​​produkter som medicin og kosmetik.

Nu har forskere fra Princeton University overvundet en stor udfordring med at studere og udvikle faseadskillelse. Deres system, rapporteret i et papir udgivet 19. november in Fysiske anmeldelsesbreve, giver mulighed for design og kontrol af komplekse blandinger med flere faser - såsom indlejrede strukturer, der minder om russiske matryoshka-dukker, som er af særlig interesse for anvendelser såsom lægemiddelsyntese og levering.

Deres system giver forskere en ny måde at undersøge, forudsige og konstruere interaktioner mellem flere væskefaser, herunder arrangementer af blandinger med et vilkårligt antal adskilte faser, sagde forskerne.

Arrangementet af faser er baseret på minimering af overfladeenergier, som fanger interaktionsenergierne mellem molekyler ved fasernes grænseflader. Dette har en tendens til at maksimere kontaktarealet mellem to faser med lav overfladespænding, og minimere eller eliminere kontakt mellem faser med høj overfladespænding.

Den nye metode bruger grafteoriens matematiske værktøjer til at spore, hvilke faser der kontakter hinanden i en blanding. Metoden kan forudsige de endelige arrangementer af faser i en blanding, når overfladeenergierne er kendt, og kan også bruges til at omdanne blandingsegenskaber, der giver anledning til ønskede strukturer.

"Hvis du fortæller os, hvilke faser du har, og hvad overfladespændingerne er, vi kan fortælle dig, hvordan faserne vil indrette sig. Vi kan også gøre det omvendt - hvis du ved, hvordan du ønsker, at faserne skal arrangeres, vi kan fortælle dig, hvilke overfladespændinger der er nødvendige, " sagde seniorforfatter Andrej Košmrlj, en adjunkt i maskin- og rumfartsteknik.

"Tilgangen er meget generel, og vi tror, ​​det vil have indflydelse på mange forskellige områder, "fra cellebiologi og lægemidler til 3D-print og kulstofbindingsteknologier, sagde Košmrlj.

Arbejdet begyndte som junioravisen til Milena Chakraverti-Wuerthwein, en fysikkoncentrator fra Princeton's Class of 2020. Hun arbejdede med Sheng Mao, derefter en postdoktoral forskningsmedarbejder i Košmrljs gruppe, bygger på tidligere forskning, der udforskede faseseparerede blandinger. Dette arbejde udviklede en beregningsramme til at forudsige antallet af adskilte faser og deres sammensætning, men undersøgte ikke systematisk de faktiske arrangementer af faser.

Chakraverti-Wuerthwein begyndte at tegne eksempler på flerkomponentblandinger, med hver fase repræsenteret af en anden farve. På et tidspunkt, hun sagde, hun følte, at hun gik i cirkler, " men så "tog et skridt tilbage og tænkte på det kendetegn, der gør en af ​​disse morfologier forskellig fra en anden. Jeg kom på ideen om, at det virkelig er kanterne, hvor faser rører hinanden. Det var fødslen til ideen om at bruge graferne, "hvor hver fase er repræsenteret af en farvet prik, og linjerne mellem prikkerne angiver, hvilke faser der rører hinanden i en blanding.

"Det var den gnist, vi havde brug for, fordi når du først kan repræsentere det i form af grafer, så er det meget nemt at opregne alle mulighederne" for forskellige arrangementer af faser, sagde Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein er en co-lead forfatter af papiret sammen med Mao, som nu er adjunkt ved Peking Universitet i Kina. Medforfatter Hunter Gaudio, en 2020 kandidat fra Villanova University, hjalp med at køre simuleringer for at producere alle distinkte arrangementer af fire faser i løbet af sommeren 2019 som deltager i Princeton Center for Complex Materials' Research Experience for Undergraduates-program.

"Normalt, væsker kan lide at lave simple dråber, og ikke meget andet. Med denne teori, man kan programmere dråber til spontant at organisere sig i kæder, stakke, eller indlejrede lag, som russiske dukker, sagde Eric Dufresne, en professor i bløde og levende materialer ved ETH Zürich i Schweiz, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Dette kunne være nyttigt til at kontrollere en kompleks sekvens af kemiske reaktioner, som findes i levende celler. Den næste udfordring bliver at udvikle eksperimentelle metoder til at realisere de interaktioner, som teorien specificerer."

Košmrlj er en del af en gruppe af Princeton-fakultetets medlemmer, der udforsker forskellige facetter og anvendelser af væske-væskefaseseparation - et hovedfokus for en tværfaglig forskningsgruppe, der for nylig blev lanceret af Princeton Center for Complex Materials med støtte fra National Science Foundation.

I flydende miljøer, der er en tendens til, at små dråber forvandles til større dråber over tid - en proces, der kaldes forgrovning. Imidlertid, i levende celler og industrielle processer er det ønskeligt at opnå strukturer af specifik størrelse. Košmrlj sagde, at hans teams fremtidige arbejde vil overveje, hvordan grovning kan kontrolleres for at opnå blandinger med målrettede strukturer i lille skala. Et andet åbent spørgsmål er, hvordan multikomponentblandinger dannes i levende systemer, hvor aktive biologiske processer og materialernes grundlæggende fysik begge er medvirkende faktorer.

Chakraverti-Wuerthwein, hvem skal påbegynde en ph.d. program i biofysiske videnskaber ved University of Chicago i 2021, sagde, at det var glædeligt at se "at denne kerne af en idé, som jeg kom op med, endte med at blive noget værdifuldt, som kunne udvides til et mere bredt anvendeligt værktøj."