Znajdź zawartość

Polsko-brytyjsko-bułgarski zespół naukowców zaprezentował nową klasę aktywnych mikropływaków. By uzyskać pływaki, wystarczy schłodzić 3-składnikową mieszaninę, złożoną z kropli oleju, wody i środka powierzchniowo czynnego (surfaktanta). Powolne chłodzenie takiej zawiesiny prowadzi do powstania niesferycznych kropli. Później wytwarzają one nitkowate struktury przypominające bakteryjne wici, które indukują ruch. Opisane zmiany są w pełni odwracalne (uczeni podkreślają, że kluczem do tego są cykliczne zmiany temperatury otoczenia). Autorami artykułu z pisma Nature Physics są specjaliści z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu w Cambridge, Queen Mary University of London oraz Uniwersytetu Sofijskiego im. św. Klemensa z Ochrydy. Mikrokropelki w emulsji pływają, wytwarzając wici Obserwacje można było prowadzić pod mikroskopem, ponieważ kropelki mają średnicę ok. 20 mikrometrów. Okazało się, że podczas chłodzenia krople oleju w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego mogą tworzyć włókna (jak już wspominaliśmy, przypominają one wici bakterii). Są one wytwarzane dzięki wytłaczaniu materiału z wnętrza kropli. Należy dodać, że początkowo włókno jest proste, lecz rosnąc, ulega niestabilności wyboczeniowej. Ostateczny kształt jest wynikiem współzawodnictwa jego elastyczności oraz hydrodynamicznego oporu płynu. Podczas powolnego chłodzenia w temperaturach ok. 2-8°C cząsteczki surfaktanta w środku kropli zaczynają tworzyć fazę plastyczną i odkształcają mikrokrople w taki sposób, że w jednym lub paru miejscach na powierzchni zaczynają one wytwarzać wydłużone struktury. Tworzenie się włókien wywołuje ruch kropli. Proces jest całkowicie odwracalny - wystarczą cykliczne zmiany temperatury otoczenia. Przed wytworzeniem wici krople przybierają wielokątne kształty. Dzieje się tak, gdyż surfaktant zamarza przy ich powierzchni. Prezentujemy nową klasę aktywnych, elastycznych mikropływaków, wytwarzanych przez proste schłodzenie 3-składnikowej mieszaniny. Są one łatwe do kontrolowania, a ich wytworzenie jest tanie. Dzięki temu mamy proste narzędzie do badania dynamiki znacznie bardziej skomplikowanych układów biologicznych – wyjaśnia dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW. Zmieniając temperaturę zewnętrzną i kontrolując szybkość chłodzenia, jesteśmy w stanie zaobserwować powstawanie misternych struktur geometrycznych przypominających wici pływających mikroorganizmów. Surfaktanty użyte w tym badaniu są biokompatybilne, a zatem układ tego typu może być przydatny w dalszych badaniach dynamiki materii aktywnej, zwłaszcza w mieszaninach sztucznych i biologicznych mikropływaków, w celu badania ich kolektywnej dynamiki i oddziaływań pomiędzy pływakami - dodaje. Naukowcy analizują deformacje włókien i wiążą je z ruchem kropelek. Korzystając z narzędzi teoretycznych do opisu dynamiki płynów w mikroskali, jesteśmy w stanie zrozumieć, dlaczego te włókna się tworzą, wyjaśniamy ich kształty i określamy ilościowo obserwowany ruch kropel - tłumaczy dr Lisicki. Wieloletnia współpraca Zespół prof. Nikolaia Denkova z Uniwersytetu Sofijskiego zsyntetyzował krople i przeprowadził eksperymenty (naukowców z Bułgarii wspierali na tym etapie uczeni z grupy dr. Stoyana Smoukova z Queen Mary University of London). Model teoretyczny opisujący dynamikę nowych cząstek aktywnych sporządzili dr Lisicki, a także dr Gabriele De Canio i prof. Eric Lauga z Uniwersytetu w Cambridge. « powrót do artykułu

Chemicznie funkcjonalizowane bańki mydlane mogą dostarczać pyłek do wybranych kwiatów. Wg japońskich naukowców, wystarczy sięgnąć po pistolet do robienia baniek. W efekcie zmniejszy się wykorzystanie ziaren pyłku, a dzięki lepkości błony bańki będą się skutecznie przyczepiać do słupków kwiatów. Delikatne i elastyczne bańki nie spowodują też uszkodzeń kwiatów. Brzmi to jak fantazja, ale funkcjonalizowana bańka mydlana zapewnia skuteczne zapylanie i gwarantuje owoce tej samej jakości co przy ręcznym zapylaniu. W porównaniu z innymi rodzajami zdalnego zapylania, bańki mydlane mają innowacyjne możliwości i unikatowe właściwości: pozwalają na efektywne i wygodne dostarczanie ziaren pyłku do wybranych kwiatów, cechuje je też wysoka elastyczność [...] - opowiada prof. Eijiro Miyako z Japan Advanced Institute of Science and Technology. Potwierdziwszy za pomocą mikroskopu optycznego, że bańki mydlane mogą naprawdę przenosić ziarna pyłku, Miyako i Xi Yang testowali wpływ 5 dostępnych w handlu surfaktantów na aktywność pyłku. Surfaktanty te wybrano ze względu na zdolność pienienia i tworzenia wielu baniek przy jednorazowym użyciu pistoletu. Macierze aktywności pyłku wykazały, że surfaktanty wywierały dawkozależny hamujący wpływ na kiełkowanie ziaren pyłku i wzrost łagiewki pyłkowej. Wśród użytych surfaktantów najlepsze wyniki dawał A-20AB (MPHITOL 20AB, A-20AB - lauryloamidopropylobetaina). Generalnie większe stężenie surfaktantu pomagało uzyskać dużą liczbę baniek. Z drugiej strony większa liczba ziarenek pyłku zaburzała tworzenie się błony bańki w dyszy pistoletu, co prowadziło do spadku liczby baniek. W 0,0% lub 0,2% roztworach A-20AB przy stężeniach pyłku z zakresu 1–10 mg/ml nie tworzyły się np. żadne bańki, zaś przy 0,4%–0,8% A-20AB i zawartości pyłku nie większej niż 4 mg/ml powstawała co najmniej ponad jedna bańka. Przy 1,0% roztworze A-20AB i stężeniu pyłku rzędu 1-10 mg/ml uzyskiwano aż 4-11 baniek. Ostatecznie, uwzględniając jednocześnie wpływ stężenia surfaktantu na aktywność pyłku i liczbę tworzących się w danych warunkach baniek, do zapylania wybrano 0,4% roztwór A-20AB i stężenie ziaren pyłku 4 mg/ml. W tej sytuacji można "upakować" maksymalnie ok. 2000 ziaren pyłku na bańkę. By zapewnić skuteczne zapylanie, pracowano nad optymalizacją roztworu w różnych warunkach fizjologicznych (Japończycy nadmieniają, że na kiełkowanie ziaren pyłku i wydłużanie łagiewki najlepiej wpływało pH równe 7). Zastosowano umiarkowany dodatek jonów boru, wapnia, magnezu i potasu. Ponieważ żelatyna rozpuszcza się w wodzie i zawiera duże ilości glicyny, proliny i hydroksyproliny, które mogą odgrywać istotną rolę w kiełkowaniu ziaren pyłku i wydłużaniu łagiewki, określono, jaka jej zawartość sprawdzi się najlepiej. Później Miyako i Yang prowadzili testy w sadzie gruszy chińskich (Pyrus pyrifolia var. culta). Okazało się, że pistolet do robienia baniek pozwalał zapylić wybrane kwiaty i uzyskać owoce. W kolejnym etapie testów naukowcy posłużyli się kontrolowanym za pomocą GPS-a dronem z urządzeniem do robienia baniek. Pamiętając o negatywnych oddziaływaniach skierowanego w dół strumienia powietrza (ma on związek z ruchem wirników), Japończycy ustabilizowali mechanicznie bańki za pomocą dodatku hypromelozy (HPMC). Akademicy zademonstrowali, że za jego pomocą można by w pełni automatycznie transportować ziarna pyłku na kwiaty lilii japońskiej (Lilium japonicum); do testów wykorzystano makiety lilii, bo prawdziwe już przekwitły. Wykazano, że da się wypuszczać bańki pod kątem ok. 70-80 stopni z wysokości 2 m i że przy prędkości rzędu 2 m/s współczynnik powodzenia wynosi ponad 90%. Naukowcy, których artykuł ukazał się na łamach pisma iScience podkreślają, że choć technika wygląda obiecująco, trzeba jeszcze popracować nad precyzją. Poza tym dla baniek kluczowe znaczenie ma pogoda; krople deszczu mogą zmyć bańki z pyłkiem z kwiatów, a silny wiatr zdmuchnie je z kolei z celu. W przyszłości Miyako i Yang chcą się zająć kwestią zanieczyszczenia generowanego przez prototyp sztucznego zapylacza (spora część baniek nie ląduje na docelowych kwiatach). Uważam, że innowacyjne technologie, takie jak zaawansowane lokalizowanie i mapowanie, [...] planowanie trasy, kontrola ruchu i techniki manipulowania, będą kluczowe dla rozwoju autonomicznego precyzyjnego robotycznego zapylania na dużą skalę - podsumowuje Miyako. Z zaprojektowaniem systemu zapylania za pomocą baniek wiąże się ciekawa historia. Miyako i jego koledzy bez sukcesów pracowali nad prototypem małego drona do zapylania kwiatów. Mimo niewielkich rozmiarów, zaledwie 2 cm długości, dron ciągle niszczył kwiaty. Rozczarowany naukowiec zrobił więc sobie przerwę od badań i bawił się z synem bańkami. W pewnym momencie jedna z nich trafiła w twarz dziecka. Miyako doznał olśnienia, że delikatne bańki mogą się świetnie nadawać do zapylania kwiatów. « powrót do artykułu

Niewidoczna dla gołego oka warstwa składników biologicznych znajdujących się na powierzchni oceanów zmniejsza tempo przepływu dwutlenku węgla pomiędzy atmosferą a oceanami. Związki te – surfaktanty – są produkowane przez plankton oraz bakterie i tworzą na powierzchni wody oleistą powłokę. Naukowcy z Uniwersytetów w Newcastle, Exeter i Uniwersytetu Heriot-Watt opublikowali na łamach Nature Geoscience wyniki badań, które, jak mówią, mają olbrzymie znaczenie dla przewidywania przyszłych zmian klimatycznych. Obecnie oceany pochłaniają około 25% całej antropogenicznej emisji dwutlenku węgla. Są więc największymi pochłaniaczami tej substancji. Wymiana gazów pomiędzy atmosferą a oceanem jest kontrolowana przez turbulencje na powierzchni oceanów, a główną przyczyną tych turbulencji są fale generowane przez wiatr. Im większe turbulencje, tym większa wymiana gazów. Dotychczas specjaliści mieli problemy z oceną wpływu wspomnianej warstwy na wymianę gazów. Dopiero teraz udało się opracować odpowiedni system, dzięki któremu naukowcy stwierdzili, że surfaktanty na powierzchni oceanów mogą zmniejszać wymianę CO2 nawet o 50 procent. Najnowsze badania, bazujące na wcześniejszych osiągnięciach nauki, wskazują, że wbrew temu co się wydawało, naturalne surfaktanty na dużych powierzchniach oceanów mogą redukować wpływ silnych wiatrów. Zmniejszenie pochłaniania dwutlenku węgla przez surfaktanty oznacza, że jest on wolniej usuwany z atmosfery, a to ma znaczenie dla przewidywania przyszłego klimatu, mówi biolog morski profesor Rob Upstill-Goddard z Newcastle University. Odkrycie to jest niezwykle ważne, gdyż wraz ze wzrostem temperatur, zwiększa się ilość surfaktantów. Im wyższe będą temperatury, tym większa warstwa surfaktantów i tym mniejsze zdolności oceanów do pochłaniania gazów atmosferycznych, dodaje doktor Ryan Pereira z Heriot-Watt University. W 13 zbadanych przez nas miejscach na Oceanie Atlantyckim odkryliśmy, że biologiczne surfaktanty zmniejszają wzmacniane przez wiatry tempo wymiany gazów. Wykonaliśmy unikatowe pomiary za pomocą specjalnie wybudowanego zbiornika, który pozwalał mierzyć wyłącznie wpływ surfaktantów na wymianę gazów, stwierdza Pereira. Badania były prowadzone na różnych szerokościach geograficznych, od regionów subpolarnych po tropikalne. « powrót do artykułu