Znajdź zawartość

Czynność pozornie banalna, jaką jest mieszanie cieczy, staje się nadspodziewanie trudna, gdy w grę wchodzi manipulowanie bardzo małymi objętościami płynów. Naukowcy z amerykańskiej organizacji Sandia National Laboratories (SNL) znaleźli jednak sposób na rozwiązanie tego problemu. Jest nim (znacznie) ulepszona wersja tradycyjnego mieszadła magnetycznego. Mieszanie małych objętości cieczy jest niezwykle trudne z uwagi na siły kapilarne, czyli zjawiska towarzyszące przebywaniu w bardzo ciasnych naczyniach, a więc np. w wąskiej rurce. Niektóre substancje (należy do nich najważniejszy z rozpuszczalników, czyli woda) znajdujące się w takim otoczeniu przylegają do ścian naczynia tak silnie, że niemal niemożliwe jest ich oderwanie od powierzchni i wymuszenie na nich mieszania się z innymi płynami. Sprawia to, że przygotowanie bardzo małych objętości mieszanin, takich jak te stosowane np. w biologii molekularnej czy układach typu lab on a chip, jest nie lada sztuką. Naukowcy z SNL znaleźli na szczęście sposób na pokonanie niedogodności związanych ze zjawiskami kapilarnymi. Zaproponowali oni wykorzystanie zaawansowanej wersji mieszadła magnetycznego - urządzenia, które w swojej klasycznej formie składa się z podstawki zawierającej wirujący magnes oraz pręciku żelaznego umieszczanego w naczyniu, które stawia się następnie na podstawce. Powstające pole magnetyczne wprawia w ruch pręcik, który z kolei zmusza ciecze znajdujące się do zmieszania się ze sobą. Najprostszy rodzaj mieszadła magnetycznego jest prosty w budowie i skuteczny, lecz nie nadaje się do mieszania cieczy o bardzo małej objętości. Właśnie dlatego badacze z SNL zmodyfikowali to urządzenie i znacznie zmienili orientację przestrzenną wirującego pola magnetycznego, którego linie w nowej wersji aparatu przypominają linie narysowane wzdłuż boków wirującebo bąka wytrąconego z równowagi. Zmieniono także same pręciki, które są nie tylko mniejsze (ich średnica to zaledwie 100 nm), lecz także umieszcza się ich w naczyniu znacznie więcej. Umiejętne kontrolowanie pola magnetycznego sprawia, że pręciki wewnątrz naczynia ustawiają się w wiele wirujących kręgów, których liczbę i szybkość obrotów można dodatkowo zmieniać dzięki manipulowaniu nie tylko szybkością obracania się magnesów, lecz także samej siły wytwarzanego przez nie pola. Dla porównania, w zwykłym mieszadle zwiększenie natężenia pola magnetycznego w żaden sposób nie wpłynęłoby na szybkość mieszania się cieczy, jest ona bowiem zależna wyłącznie od szybkości obrotów magnesu. Kto by pomyślał, że proste mieszanie cieczy może wywołać tyle zamieszania...

Mieszanie wód oceanów, czyli przepływ mas między równikiem a biegunami oraz w pionie między różnymi warstwami, to sposób na podtrzymanie bioróżnorodności i klimatu naszej planety. Potwierdza się też, że ruch zwierząt – nie tylko tych dużych, ale również ławic małych ryb - wspomaga ten proces. Autorem teorii, że mieszkańcy mórz i oceanów mogą się w jakiś sposób przyczyniać do istnienia prądów, jest Karol Darwin, wnuk słynnego ewolucjonisty. Przedstawił ją w latach 50. ubiegłego wieku. Nie potraktowano jej jednak na poważnie, gdyż już w latach 60. naukowcy wykazali podczas eksperymentów, że turbulencje tworzone podczas pływania przez różne istoty, np. plankton czy ryby, szybko zanikają w gęstej, lepkiej wodzie. Najnowsze badania obalają wnioski sprzed 40 lat. Kakani Katija i Joan Dabiri z California Institute of Technology opracowali bazujący na laserze system pomiaru ruchu cieczy. Potem zaczajali się w wodach Pacyfiku na meduzy. Gdy się pojawiały, wypuszczali w ich kierunku strumień barwnika. Dzięki temu zaobserwowali (i utrwalili na wideo), że zwierzę poruszające się w pionie – od chłodnych głębin po ogrzane słońcem płytsze warstwy – pociągało za sobą znaczne ilości zimnej wody. Na tej podstawie Katija i Dabiri stwierdzili, że eksperymentatorzy z lat 60. musieli patrzeć nie na to, co trzeba, skoro tego nie dostrzegli. Zamiast na ruchach w pionie skupili się na falach i wirach. Jak można się domyślić, na ilość mieszającej się wody wpływają rozmiary i kształty zwierzęcia oraz trasy migracji danego gatunku (zmianie ulega bowiem nie tylko jej temperatura, ale i zasolenie, czyli ciężar).