Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Łatwy do uzyskania i kontrolowania układ: mikrokrople zdolne do poruszania się bez udziału sił zewnętrznych

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Konopie siewne (Cannabis sativa) przez wieki stanowiły ważne źródło włókien do produkcji tekstyliów, wykorzystywano je do produkcji oleju czy w medycynie. Jednak w XX wieku wykorzystanie tej rośliny znacząco się zmniejszyło. W miarę, jak pozyskiwana z niej marihuana była coraz szerzej wykorzystywana w celach rekreacyjnych, kolejne rządy nakładały ograniczenia prawne na konopie. To zaś spowodowało, że ich historia genetyczna pozostawała niezbadana.
      Luca Fumagalli z Uniwersytetu w Lozannie stanął na czele międzynarodowego zespołu naukowego z Chin, Wielkiej Brytanii, Indii, Pakistanu i Kataru, którego członkowie przeanalizowali genom 110 roślin reprezentujących pełne spektrum odmian Cannabis. Na tej podstawie zidentyfikowali czas o źródło udomowienia, wzorce różnicowania się po udomowieniu oraz współczesne zróżnicowanie genetyczne konopi.
      Wykazaliśmy, że gatunek C. sativa został po raz pierwszy udomowiony we wczesnym neolicie w Azji Wschodniej i że wszystkie obecnie występujące odmiany pochodzą od dzikich i uprawnych odmian z terenu współczesnych Chin, czytamy w artykule w Science Advances. Z danych genetycznych wynika, że do udomowienia doszło około 12 000 lat temu i zbiega się ono w czasie z pojawieniem się na terenie południowych Chin i Tajwanu ceramiki sznurowej. W materiale archeologicznym z kolejnych tysiącleci pojawia się coraz więcej śladów konopi. Znamy np. japońską ceramikę sprzed 10 000 lat skojarzoną z nasionami, a 7500 lat temu w Chinach i Japonii stale pojawiają się artefakty powiązane z Cannabis.
      Z artykułu dowiadujemy się też, że przed 4000 lat zróżnicowanie genetyczne Cannabis zaczęło się zwiększać, co z czasem doprowadziło do powstania współczesnych wyspecjalizowanych odmian. Uprawy tej rośliny zaczęły rozprzestrzeniać się w kierunku Europy i Bliskiego Wschodu. Już co najmniej 2500 lat temu na terenie zachodnich Chin konopie były używane w celach rytualnych, produkowano z nich m.in. napoje alkoholowe.
      Pierwsze archeobotaniczne dane świadczące o obecności Cannabis na subkontynencie indyjskim pochodzą sprzed 3000 lat. Co interesujące, w przeciwieństwie do tego co wiemy z Chin, indyjskie teksty sprzed 2000 lat mówią o tym, że konopie były wykorzystywane tutaj wyłącznie w celu odurzania się. Narkotyki wytwarzane w konopi pojawiły się w Afryce w XIII wieku, do Ameryki Łacińskiej dotarły w wieku XVI, a do Ameryki Północnej w XX wieku, gdzie trafiły z Indii. Kultywary konopi do Nowego Świata przywieźli Europejczycy w XVII wieku, zaś w połowie XIX wieku w Ameryce Północnej europejskie kultywary zostały wyparte przez odmiany chińskie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zanim Mars stał się tak suchy, jak obecnie, panujące na nim warunki kilkukrotnie zmieniały się między wilgotnymi a suchymi. Takie wnioski płyną z analizy zdjęć o wysokiej rozdzielczości wykonanych przez teleskop znajdujących się na pokładzie łazika Curiosity. Obrazy te pozwoliły na zapoznanie się ze strukturą Mount Sharp, góry o 6-kilometrowej wysokości położonej w centrum Krateru Gale.
      Po raz pierwszy dysponujemy takimi szczegółami wypiętrzenia na Marsie. Pozwala nam to obserwować bardzo stare skały, mówi William Rapin z Instytutu Badań Astrofizycznych i Planetarnych z Francji, który wraz z kolegami z USA analizował obrazy. Skały te pochodzą sprzed ponad 3,5 miliarda lat, z krytycznego okresu, gdy na Marsie wciąż znajdowała się woda, ale już zachodziły na nim olbrzymie globalne zmiany klimatyczne.
      Warstwy położone u podnóża Mount Sharp noszą cechy warstw, które formowały się w jeziorze. Jednak nad nimi widać warstwy, których wygląd sugeruje, iż powstały w środowisku pustynnym. Jeszcze wyżej położone warstwy wskazują na istnienie wilgotnego klimatu w czasie ich formowania się. Nad nimi zaś naukowcy zauważyli warstwy pochodzące z czasów, gdy na Marsie było sucho.
      Należałoby się spodziewać, że Mars wysychał stopniowo w miarę przesuwania się w czasie. Tymczasem widać, że następował powrót do bardziej wilgotnych czasów. To bardzo ekscytujące i interesujące odkrycie, mówi Christian Schroeder z University of Stirling.
      Łazik Curiosity, który wylądował na Marsie w 2012 roku, ma wjechać na Mount Sharp i ją badać. Być może uda się dzięki temu zbadać, co powodowało tego typu zmiany klimatu na Marsie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z NASA sporządzili pierwszą globalną mapę zmian poziomu powierzchniowych wód słodkich. Chcieli w ten sposób zbadać wpływ człowieka na zasoby słodkowodne. Dzięki najnowszym osiągnięciom technologicznym możliwe było uwzględnienie zbiorników, które jeszcze niedawno uznawano za zbyt małe, by badać je za pomocą satelitów.
      Badania zostały przeprowadzone przez ICESat-2 (Ice, Cloud and land Elevation Satelite-2), który ostrzeliwuje powierzchnię Ziemi 10 000 impulsami laserowymi w ciągu sekundy. Po odbiciu od powierzchni i odebraniu przez satelitę, światło lasera zapewnia niezwykle precyzyjne pomiary wysokości. Biorąc pod uwagę prędkość satelity (6,9 km/s) oraz częstotliwość pracy lasera łatwo wyliczyć, że poszczególne punkty pomiarowe były oddalone od siebie o 70 centymetrów. Dokładność pojedynczego pomiaru wynosi ok. 10 cm, zaś po uśrednieniu jest jeszcze większa.
      W ten sposób w ciągu 22 miesięcy, jakie upłynęły od wystrzelenia ICESat-2 w 2018 roku naukowcy zmierzyli poziom wody w 227 386 sztucznych i naturalnych zbiornikach słodkiej wody. Badania wykazały, że średnio pomiędzy porami roku poziom wody w zbiornikach naturalnych waha się o 22 centymetry. W tym samym czasie w zarządzanych przez człowieka zbiornikach sztucznych dochodzi do wahań rzędu 86 centymetrów. Jako, że liczba zbiorników naturalnych jest 24-krotnie większa niż sztucznych, specjaliści wyliczyli, że zbiorniki sztuczne odpowiadają za 57% globalnej zmienności poziomu wód słodkich.
      Zrozumienie zmienności i odnalezienie jej wzorców pozwala stwierdzić, jak bardzo wpływamy na globalny cykl hydrologiczny. Okazuje się, że wpływ człowieka jest większy, niż sądziliśmy, mówi główna autorka badań, hydrolog Sarah Cooley z Uniwersytetu Stanforda.
      Naukowcy zauważyli też regionalne różnice w zmienności poziomu wody w zbiornikach. Otóż w zbiornikach sztucznych największe wahania poziomu wód mają miejsce na Bliskim Wschodzie, na południu Afryki oraz na zachodzie USA. W zbiornikach naturalnych do największych wahań dochodzi w tropikach.
      Uzyskane wyniki przydadzą się do przyszłych badań nad związkiem pomiędzy działalnością człowieka i zmianami klimatu a dostępnością wody pitnej. Dzięki nim w przyszłości będziemy mogli obserwować, jak zmienia się w czasie zarządzanie wodą przez człowieka oraz w jakich obszarach pojawiają się największe wyzwania, gdzie może dojść do zagrożeń źródeł wody pitnej. To bardzo cenne dane dla określenia wpływu człowieka na globalny obieg wody, dodaje Cooley.
      W swoich badaniach naukowcy wykorzystali dane z satelitów Landsat. To trwający od dziesięcioleci wspólny projekt NASA i U.S. Geological Survey, w ramach którego tworzone są mapy powierzchni naszej planety. Dzięki nim można było zidentyfikować sztuczne i naturalne zbiorniki wody słodkiej na potrzeby misji ICESat-2. Do dwuwymiarowych map misji Landsat dodano teraz trzecią warstwę danych – informacje o zmianach poziomu wód w zbiornikach.
      Głównym celem ICESat-2 są pomiary pokryw lodowych na Ziemi.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Pod wodą nie słychać ludzkiego krzyku. Ale odgłosy wydawane przez foki szare – już owszem. Jakie zjawiska akustyczne decydują o tym, że foki wydobywać mogą dźwięki i na wodzie, i pod jej powierzchnią? Sprawdził to w swoich badaniach dr Łukasz Nowak. Ciało foki działa jak głośnik – streszcza naukowiec.
      Z fokami szarymi jest trochę jak ze starym małżeństwem. One rozmawiają ze sobą bardzo rzadko. A konkretne – kiedy przychodzi okres godowy. U fok taki okres występuje tylko na początku roku, tuż po tym, kiedy urodzą się młode foki i samice są gotowe, by ponownie zajść w ciążę. Wtedy komunikacja między samcami, samicami i młodymi jest bardzo ożywiona – opowiada dr Nowak. W swoich badaniach naukowiec skupiał się jednak nie na tym, co te odgłosy oznaczają, ale jak one powstają. Wszystkie swoje nagrania udostępnił w otwartych zbiorach danych.
      A to, jak foki wydają dźwięki jest o tyle ciekawe dla akustyków, że zwierzęta żyją trochę w wodzie, a trochę na lądzie. I w przeciwieństwie do człowieka potrafią nie tylko wydawać odgłosy, które świetnie rozchodzą się w powietrzu, ale i odgłosy, które słychać pod wodą – mimo skrajnie dużych różnic między tymi środowiskami. Kolejną interesującą sprawą jest to, że foki szare rozmiarami są porównywalne z człowiekiem, a częstotliwości wydawanych przez nie odgłosów są dobrze odbierane przez ludzkie ucho.
      To, jak wydają dźwięki foki, może to stanowić dla nas inspirację, jak budować systemy do podwodnej komunikacji – komentuje akustyk dr Łukasz Nowak z University of Twente (Holandia).
      Badacz przestudiował odgłosy wydawane przez foki szare w fokarium w stacji morskiej UG na Helu. Wydzielił trzy różniące się akustyką grupy dźwięków i przedstawił hipotezy, jak dźwięki te mogą być generowane. Jego badania ukazały się w czasopiśmie Bioacustics.
      W bazie udostępnionej przez naukowca można obejrzeć filmiki z nagraniami foczych rozmów, a także posłuchać nagrań audio - zarówno odgłosów podwodnych, jak i wydawanych na powierzchni.
      Foki musiały się dostosować do komunikacji akustycznej, do porozumiewania się i nad, i pod wodą – zwraca uwagę naukowiec. Tłumaczy, że powietrze i woda stanowią zaś dwa bardzo różne ośrodki pod względem właściwości akustycznych. My, ludzie, zazwyczaj, jeśli chcemy coś powiedzieć, wprawiamy w drgania kolumnę powietrza wydychaną z płuc. Z kolei jamę nosowo-gardłową wykorzystujemy jako filtr, który możemy przestrajać. Nasze układy głosowe stworzone są tak, by emitować dźwięk głównie przez usta - tam skąd uchodzi z nas powietrze. W emisji dźwięku zaś nie mają znaczenia same drgania np. klatki piersiowej – opowiada dr Nowak.
      W przypadku wody taka metoda tworzenia dźwięków nie będzie efektywna, bo dźwięk z powietrza generalnie do wody nie przechodzi. W wodzie przenoszą się lepiej dźwięki strukturalne - powstające w drgających ciałach stałych (to np. stuknięcie ręką w drzwi) niż aerodynamiczne – te wywołane wibracją powietrza (np. ludzki głos). Dlatego człowiek mówiący pod wodą praktycznie nie będzie w wodzie słyszalny – zwraca uwagę akustyk.
      Dlatego foki, aby przekazywać sobie sygnały dźwiękowe pod wodą, muszą zmienić drgania powietrza na drgania swojego ciała. Tkanki mają właściwości mechaniczne całkiem podobne do właściwości wody. I z nich całkiem dobrze drgania - a więc i dźwięki - do wody się przenoszą. Ciało foki działa więc jak wielki głośnik podwodny – wyjaśnia rozmówca PAP.
      Dodaje, że czasem części podwodnych odgłosów fok towarzyszy wydobywanie się bąbelków (a to znaczy, że odgłos powstaje przy wydechu). A części – nie. Naukowiec po strukturze tych ostatnich dźwięków domyśla się, że zwierzęta muszą wtedy przepompowywać powietrze to w jedną, to w drugą stronę. Dźwięk ten jednak wprawia w wibracje ciało foki, a ciało przekazuje te drgania do wody.
      Inaczej jest jednak, kiedy foka przebywa na powierzchni – wtedy duża część dźwięku wypromieniowana jest przez nozdrza.
      Foki szare żyją między wodą a lądem. Komunikują się w zakresie częstotliwości akustycznych, które słyszymy gołym uchem. Właściwości ich układów głosowych – w odróżnieniu np. od delfinów, które posługują się ultradźwiękami – są zbliżone do ludzkich. Dlatego foki były dla mnie inspiracją przy opracowywaniu systemów komunikacji głosowej dla nurków – mówi dr Nowak.
      Jego zespół już kilka lat temu opracował taki system komunikacji podwodnej. Obserwując, jak foki wydają dźwięk pomyślałem o układach technicznych, które tłumaczyłyby drgania powietrza na drgania struktur wokół i potem przenoszą dźwięk do wody. Wraz z zespołem zbudowaliśmy działające prototypy urządzeń do komunikacji między nurkami – wspomina. Nurkowie mówili do opracowanego przez Polaków urządzenia, a dźwięk wydobywający się z tego wynalazku rozchodził się w wodzie. Każdy pod wodą mógł go więc usłyszeć bez użycia żadnego dodatkowego sprzętu.
      Urządzenie działało, można było dzięki niemu rozmawiać pod wodą. Podjęliśmy się komercjalizacji, ale rozbiliśmy się o etap wdrożeniowy. Projekt umarł – opowiada akustyk.
      Dodaje, że choć wtedy zgromadził ogromne ilości danych dotyczących odgłosów fok i miał przypuszczenia, jak one ze sobą się komunikują, to dopiero teraz, w czasie pandemii, miał czas, aby opracować dane i przekuć w publikacje naukową. Dopiero teraz jednak prezentujemy uporządkowaną klasyfikację odgłosów fok i przedstawiamy hipotezy dotyczące generacji tych dźwięków – tłumaczy.
      Dr Nowak opowiada, że do badania odgłosów fok szarych zachęcił go prof. Krzysztof Skóra, który był wtedy szefem Stacji Morskiej UG. Badania przerwała jednak śmierć profesora. Dziś stacja Morska nosi imię tego biologa.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zmiany klimaty spowodowały, że cyklony tropikalne docierające na ląd wolniej słabną, przez co dalej docierają i powodują większe zniszczenia, czytamy na łamach najnowszego wydania Nature. Naukowcy z The Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University dowiedli, że cyklony, które tworzą się nad gorącymi wodami oceanicznymi, niosą obecnie więcej wilgoci, przez co po dotarciu na ląd dłużej się utrzymują. To sugeruje, że w przyszłości mogą utrzymywać się jeszcze dłużej i obszarom, do których wcześniej nie docierały.
      To bardzo ważne spostrzeżenie, które powinno być brane pod uwagę przy podejmowaniu decyzji dotyczących radzenia sobie ze skutkami globalnego ocieplenia, mówi jeden z autorów badań, profesor Pinaki Chakraborty, dyrektor Jednostki Mechaniki Płynów na OIST. Wiemy, że miejscowości przybrzeżne muszą przygotować się na bardziej intensywne huragany. Okazuje się, że na ich nadejście muszą być też gotowe miejscowości położone w głębi lądu, które mogą nie mieć odpowiedniej infrastruktury, by sobie z tym radzić, a ich mieszkańcy mogą nie mieć doświadczenia z takimi zjawiskami, dodaje uczony.
      Naukowcom z Okinawy udało się wykazać bezpośredni związek pomiędzy ocieplającym się klimatem, a tymi cyklonami, które docierają na ląd. Na potrzeby swoich badań naukowcy przeanalizowali huragany, które w ostatnim półwieczu uformowały się nad północnym Atlantykiem i dotarły na ląd. Okazało się, że obecnie w ciągu pierwszej doby po uderzeniu w ląd cyklony słabną dwukrotnie wolniej niż przed 50 laty. Gdy przyjrzeliśmy się danym jasno było widać, że w kolejnych latach cyklony słabną coraz wolniej. Nie był to jednak proces ciągły. Zmiany w poszczególnych latach odpowiadały zmianom temperatury powierzchni wód oceanicznych, mówi doktorant Lin Li, główy autor badań.
      Naukowcy przetestowali swoje spostrzeżenia za pomocą symulacji komputerowych czterech różnych cyklonów, które przeprowadzono z różnymi danymi dotyczącymi temperatury powierzchni oceanu. Gdy w symulacji huragan osiągnął kategorię 4, naukowcy symulowali jego nadejście nad ląd, odcinając go od źródła wilgoci od spodu.
      Cyklony tropikalne to silniki cieplne, jak np. silnik w samochodzie. W silniku samochodowym spalane jest paliwo i uzyskana energia cieplna zamieniana jest w pracę mechaniczną. W cyklonach wilgoć z powierzchni oceanu jest paliwem, które intensyfikuje i podtrzymuje siłę huraganu, a energia cieplna z wody jest zamieniana w potężne wiatry. W momencie, gdy huragan dotrze na ląd, dostawy paliwa zostają przerwane. Bez paliwa samochód zaczyna zwalniać, a huragan, bez źródła wilgoci, traci na sile, wyjaśnia Li.
      Naukowcy zauważyli, że nawet gdy nad ląd docierają cyklony o tej samej sile, to ten, który uformował się nad cieplejszymi wodami, wolniej słabnie. Symulacje te udowodniły, że wyciągnęliśmy prawidłowe wnioski z naszych analiz. A wnioski te mówią, że cieplejsze oceany wpływają na tempo słabnięcia huraganu, nawet po odcięciu połączenia z wodami oceanicznymi. Pytanie brzmi, dlaczego tak się dzieje, mówi Chakraborty.
      Przeprowadzili więc dodatkowe symulacje i wykazali, że odpowiedzią na to pytanie jest wilgotność. Nawet gdy cyklon dociera na ląd, zamienia się w huragan i nie ma łączności z oceanem, powietrze wciąż zawiera sporo wilgoci. Z czasem wilgoć tę traci i wiatry słabną. Huragany, które powstają nad cieplejszymi wodami oceanicznymi, mogą zawierać więcej wilgoci, która podtrzymuje je przez dłuższy czas i nie pozwala im szybko osłabnąć, dodają uczeni.
      Naukowcy zauważają, że konieczna jest zmiana obecnych – zbyt prostych – modeli badania huraganów. Obecne modele nie biorą pod uwagę wilgotności. Rozważają one huragany jako suchy wir powietrza, który jest osłabiany przez tarcie o ląd. Nasza praca pokazuje, że ten model jest niekompletny. Dlatego też modele te nie wykazywał dotychczas oczywistego wpływu ocieplania się klimatu na huragany, mówi Li.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...