Znajdź zawartość

Bartosz Grzybowski i jego zespół z Northwestern University twierdzą, że prowadzone od tysięcy lat badania nad elektrostatyką nie dały nam prawdziwych odpowiedzi. Przekonanie, iż elektryczność statyczna bierze się z wymiany jonów pomiędzy dwoma materiałami, wskutek której w jednym z nich powstaje nierównowaga jest, zdaniem Grzybowskiego, błędne. Uczeni wykorzystali mikroskop sił Kelvina, który pozwala na obserwację ładunków na powierzchni obiektów. Dzięki niemu odkryli, że zmiany, które prowadzą do pojawienia się ładunków elektrostatycznych nie są jednakowe, jak dotychczas sądzono. Zaobserwowali bowiem coś, co określili mianem kolażu dodatnio i ujemnie naładowanych „grudek". Naukowcy sądzą, że „grudki" te są przenoszone z jednego materiału na drugi podczas kontaktu. Innymi słowy, gdy pocieramy o siebie dwa obiekty, dochodzi między nimi do wymiany materiału w postaci tych właśnie „grudek" i to ich przeniesienie z jednego obiektu na drugi wywołuje nierównowagę w dotychczas stałym kolażu „grudek". Uczeni udowodnili istnienie „grudek" i faktu, iż są one przenoszone pomiędzy stykającymi się obiektami. Jednak nie wszyscy są przekonani, że to wystarczy do wyjaśnienia opisywanych zjawisk.

Nie tylko szczury i ludzie potrafią odnajdować drogę w labiryncie. Udaje się to też... kroplom oleju. Najnowsze badania prowadzone przez zespół Bartosza Grzybowskiego z Northwestern University mogą pomóc w znalezieniu nowych sposobów leczenia nowotworów. Naukowcy skupili się na kroplach oleju podczas prac nad efektywnymi metodami dostarczania leków do komórek nowotworowych. To bardzo trudne zadanie, gdyż układ krwionośny tworzy bardzo skomplikowany labirynt, w którym łatwo zgubić drogę. Zespół Grzybowskiego stworzył krzemowy labirynt o powierzchni 6,5 centymetra kwadratowego. Został on wypełniony alkalicznym roztworem wodorotlenku potasu. U wejścia do labirynu umieszczano albo niewielką kroplę oleju mineralnego albo dichlorometanu, wzbogacone o słaby kwas i czerwony barwnik. Krople miały samodzielnie dotrzeć przez labirynt do wyjścia, przy którym znajdował się żel z agarozy zanurzony w kwasie solnym. Znalezienie właściwej drogi zajęło kroplom około minuty. Było to możliwe dzięki temu, że kwas z żelu stopniowo przenikał do wodorotlenku potasu, tworząc kwasowy gradient. Roztwór bliżej wyjścia był bardziej kwaśny, a przy wejściu - bardziej zasadowy. Dochodziło do reakcji z kwasem zawartym w kropli. Jej część zwrócona w stronę wyjścia stawała się bardziej kwaśna, niż część zwrócona w stronę wejścia do labiryntu. To powodowało powstanie napięcia powierzchniowego, które napędzało kroplę przesuwając ją w stronę wyjścia. Krople zawsze odnajdowały najkrótszą drogę przez labirynt. Nazwaliśmy je chemo-szczurami - mówi Grzybowski. Naukowcy zaobserwowali, że krople dichlorometanu poruszały się szybciej niż krople oleju mineralnego. Odkrycie można wykorzystać w leczeniu nowotworów, gdyż guzy mają bardziej kwaśny odczyn niż reszta organizmu, teoretycznie więc możliwe jest opracowanie takiego nośnika dla leków, który będzie je transportował w stronę kwaśnych komórek nowotworowych. Jednak potencjalne zastosowania badań Grzybowskiego wykraczają poza medycynę. Uczeni zauważyli, że gdy jednocześnie wpuścili do labiryntu dwie krople, niemal nigdy nie dochodziło między nimi do zderzenia. Niewykluczone zatem, że prace naukowców z Illinois posłużą do zbudowania systemów analizowania ruchu w mieście. Ponadto mogą przyczynić się do zbudowania niewielkich pomp, urządzeń zamieniających energię chemiczną w mechaniczną czy też pozwolą na rozwiązywanie problemów NP-zupełnych, które stanowią poważne wyzwanie dla współczesnych komputerów.

Badacze z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Northwestern University odkryli, że po zawieszeniu w roztworze pospolite bakterie mogą napędzać mikroskopijne koła zębate. Pozwala to mieć nadzieję na opracowanie zainspirowanych biologią rozwiązań energetycznych, które będą się dynamicznie dostosowywać do zmieniających się warunków. Zdolność okiełznania i kontrolowania mocy bakteryjnego ruchu jest istotnym wymogiem dla dalszego rozwoju napędzanych przez mikroorganizmy biomechanicznych systemów hybrydowych. W tym układzie koła zębate są miliony razy bardziej masywne od samych bakterii – wyjaśnia Igor Aronson. Mikroprzekładnie mają przekątną zaledwie 380 mikronów, wliczając w to także pochyłe "szprychy". Umieszcza się je w roztworze z tlenowymi laseczkami siennymi Bacillus subtilis. Andrey Sokolov z Princeton University, Igor Aronson z Argonne National Laboratory oraz Bartosz Grzybowski i Mario M. Apodaca z Northwestern University zaobserwowali, że bakterie wydawały się pływać w losowych kierunkach, ale od czasu do czasu zderzały się z zębami koła i zaczynały je obracać w oznaczonym kierunku. Przekręcenie przekładni wymagało współpracy kilkuset bakterii. Kiedy obok siebie umieszczano kilka kół, a ich wypustki zazębiały się jak w mechanizmie zegara, mikroorganizmy były w stanie wprawiać je w ruch w przeciwnych kierunkach; w parze jedno kręciło się w prawo, a drugie w lewo. Przekładnie obracały się synchronicznie nawet przez dłuższy czas. Nasze odkrycie demonstruje, jak mikroskopijne czynniki pływające, takie jak bakterie czy wykonane przez człowieka nanoroboty, mogą w połączeniu np. ze stalą czy plastikiem utworzyć inteligentne materiały, które dynamicznie zmienią swoją mikrostrukturę, zreperują uszkodzenia lub zasilą mikrourządzenia – podsumowuje Aronson. Prędkością obrotów kół da się zarządzać, manipulując zawartością tlenu w roztworze. Zmniejszając stężenie gazu, badacze spowalniali ruch bakterii i przekładni. Usunięcie go w całości zatrzymywało działanie mechanizmu. Po wprowadzeniu tlenu do układu bakterie ożywały i na nowo zaczynały pływać.

Jak uzyskać współczesną wersję atramentu sympatycznego? Wystarczy wykorzystać nanocząsteczki złota, pokryte specjalną substancją o włosowatej budowie. Potem włączamy światło ultrafioletowe i po zaprogramowanym czasie tekst czy obraz znika. Bartosz Grzybowski i jego zespół z Nortwestern University pokryli nanocząsteczki złota 4-(11-dekaoksymerkaptan)azobenzenem, oznaczanym też skrótem MUA. Pod wpływem promieni UV włókna tego związku zmieniają swój kształt i ułożenie (stają się polarne), co sprawia, że nanocząsteczki zbijają się w klastry. Kolor nanocząsteczek zależy od tego, jak blisko siebie się znajdują. Z dala od siebie nanocząsteczki złota są czerwone, lecz gdy się spotkają, najpierw stają się fioletowe, potem niebieskie, a na końcu bezbarwne. Amerykańska ekipa postanowiła wykorzystać pomysł w praktyce. W tym celu nanocząsteczki złota rozproszono w żelu i wprowadzono między dwie plastikowe płytki. Powstały w ten sposób film naświetlano promieniami UV przechodzącymi przez specjalną matrycę lub za pomocą ultrafioletowego "pisaka". W ciągu kilku sekund można było uzyskać żądany wzór. Jak łatwo się domyślić, zmiana barwy nie jest trwała. Gdy wyłączy się źródło światła, nanocząsteczki oddalają się od siebie. Czas trwania obrazu – mierzony w godzinach lub dniach - zależy od ilości MUA, jaką pokryto nanocząsteczki. Wystawienie filmu na oddziaływanie światła widzialnego lub lekkie podgrzanie przyspieszają proces znikania. Wtedy reakcja przebiega w ciągu kilku sekund.