1. Dr Zbigniew Rozynek z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie prezentuje model kapsuły Janusa. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Wszystko zależy, jak na nie spojrzysz. Gdy z jednej strony - zobaczysz jedno oblicze; gdy z przeciwnej - będzie inne. Tak wyglądają kapsuły Janusa, miniaturowe, puste  wewnątrz struktury, w różnych fragmentach zbudowane z różnych mikro- i nanodrobin. Teoretycy potrafili zaprojektować modele takich kapsuł, lecz ich wytworzenie było nie lada wyzwaniem. Teraz, dzięki użyciu pola elektrycznego, kapsuły Janusa będzie można wytwarzać łatwo i tanio.

Janus, starorzymski bóg początków i przemian, przyciągał uwagę wiernych dwiema twarzami, każdą skierowaną w inną stronę świata. Kapsuły Janusa - "bańki" sklejone z dwóch "skorup", każdej zbudowanej z mikro- lub nanodrobin o innych właściwościach - od pewnego czasu przyciągają uwagę badaczy. Ci widzą w nich doskonałe narzędzia do transportu leków i środek prowadzący ku innowacyjnym materiałom. Lecz by kapsuły Janusa stały się powszechnie dostępne, muszą powstać efektywne metody ich masowej produkcji. Ważnym krokiem w trym kierunku jest osiągnięcie naukowców z norweskich i francuskich instytucji naukowych oraz Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie, opisane ostatnio w jednym z najbardziej renomowanych czasopism naukowych: "Nature Communications".

2. Dwie krople zawieszone w oleju, jedna pokryta czerwonymi, druga niebieskimi drobinami, łączą się w naczyniu laboratoryjnym w obecności pola elektrycznego. Tak powstaje kapsuła Janusa. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Współcześnie nie jest problemem wykonanie kul Janusa - okrągłych, całkowicie wypełnionych mikro- i nanoobiektów, których jedna część ma inne właściwości niż druga. Takie kule tworzy się na przykład zlepiając dwie krople różnych substancji. Po połączeniu nową kroplę wystarczy szybko utrwalić, np. schładzając ją lub doprowadzając do polimeryzacji jej materiałów. Kulami Janusa są m.in. drobiny o połówkach białej i czarnej, stosowane do generowania obrazu w wyświetlaczach elektroforetycznych montowanych w czytnikach e-książek.

"Kapsuły Janusa różnią się od kul Janusa: są puste w środku, a ich powłoka, częściowo przepuszczalna, jest stworzona z cząstek koloidalnych. Jak zrobić taką 'dwulicową bańkę' z mikro- i nanocząstek? Nad tym zastanawia się wielu naukowców. My zaproponowaliśmy naprawdę nieskomplikowane rozwiązanie", mówi dr Zbigniew Rozynek z IChF PAN, który podczas stażu podoktorskiego na Norwegian University of Science and Technology w Trondheim zajmował się stroną eksperymentalną badań nad kapsułami Janusa.

3. Wytwarzanie kapsuł Janusa zaczyna się od jednorodnego pokrycia powierzchni dwóch kropel, każdej drobinami o innych własnościach. Po przyłożeniu pola elektrycznego (E) mikroprzepływy ściągają drobiny ku "równikom" kropel. Okolice "biegunów" kropel ładują się elektrycznie i krople się przyciągają, ostatecznie stykając się przeciwnie naładowanymi "biegunami". Do zlania kropel w całość i uformowania kapsuły Janusa dochodzi dzięki polu elektrycznemu. Grafika wykonana z użyciem zdjęć mikroskopowych. (zaadaptowane z Nat. Commun. 5, 3945 (2014))

W trakcie eksperymentów międzynarodowy zespół naukowców wytwarzał kapsuły Janusa na kroplach o objętości pojedynczych mikrolitrów. Krople były pokrywane m.in. nanocząstkami polistyrenowymi o średnicach ok. 500 nm (miliardowych części metra) i szklanymi o średnicach ok. 1000 nm. Używano także drobin polietylenowych zabarwionych w różny sposób.

Doświadczenia przeprowadzano na kroplach oleju zawieszonych w innym oleju. W tak przygotowane środowisko wprowadzano mikro- lub nanocząstki jednego typu, które osadzano na powierzchni wybranej kropli. Następnie na drugiej kropli osadzano drobiny innego typu. Dzięki siłom kapilarnym cząstki trwale utrzymywały się na powierzchniach obu kropel, pokrywając je mniej więcej jednorodnie.

Po włączeniu zewnętrznego pola elektrycznego wewnątrz kropel powstawały mikroprzepływy. Przesuwały one drobiny na powierzchni każdej kropli od jej "biegunów" (uformowanych wzdłuż kierunku pola elektrycznego) ku "równikowi". Na tym etapie można było kontrolować upakowanie cząstek koloidalnych poprzez "wstrząsanie" kroplami w wolno zmieniającym się polu elektrycznym. Upakowanie drobin jest ważnym czynnikiem, ponieważ decyduje o liczbie i wielkości porów późniejszej kapsuły, a co za tym idzie o jej przepuszczalności.

Wskutek mikroprzepływów wokół "równików" kropel tworzyła się wstęga o kształcie pierścienia, składająca się z mniej lub bardziej zlepionych cząstek, podczas gdy oba "bieguny" stawały się puste. Jednocześnie bieguny każdej kropli zyskiwały przeciwne ładunki elektryczne.

4. Pierścienie Janusa tworzą się wskutek połączenia kropel zawierających niewielkie liczby drobin. Pierścień jest nieznacznie grubszy u dołu, ponieważ drobiny odczuwają siłę ziemskiej grawitacji. (zaadaptowane z Nat. Commun. 5, 3945 (2014)

Przeciwne ładunki elektryczne przyciągają się, krople z naładowanymi biegunami kierowały się więc ku sobie. Na tym etapie należało jeszcze "przekonać" obie krople, aby nie tylko zetknęły się biegunami, ale żeby faktycznie się połączyły. Wykorzystano tu znaną od lat elektrokoalescencję: za pomocą pola elektrycznego stymulowano krople do szybszego łączenia. Po zlaniu się kropel, znajdujące się na ich powierzchniach układy drobin także się łączyły. Upakowanie drobin w każdej wstędze powodowało jednak, że cząstki różnych typów praktycznie nie mieszały się ze sobą.

"To jak ze słynnym martini Bonda: ono też miało być zawsze 'wstrząśnięte, niezmieszane'", śmieje się dr Rozynek.

5. Przykłady kapsuł (głównie kapsuł Janusa) otrzymanych metodą opisaną w informacji prasowej Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. (zaadaptowane z Nat. Commun. 5, 3945 (2014))

O ostatecznym wyglądzie kapsuł decydowała liczba drobin osadzonych na powierzchniach pierwotnych kropel. Jeśli drobiny pokrywały obie krople jednorodną warstwą sięgającą niemal do biegunów, efektem połączenia był twór przypominający powierzchnię gruszki. Gdy czyste obszary wokół biegunów kropel składowych były odpowiednio większe, kapsuły Janusa przyjmowały kształt kulisty. Jeśli jednak wstęgi wokół "równików" pierwotnych kropel były wąskie, po połączeniu otrzymywano coś, co można byłoby nazwać pierścieniem Janusa.

Pierścienie, których jedna część składa się z innych cząstek niż druga, otwierają ciekawe możliwości. Można je dalej zlepiać i tworzyć coraz bardziej złożone, pasiaste struktury. Kapsuły mogłyby się wtedy składać z naprzemiennie ułożonych pasów drobin, a każdy pas mógłby mieć odmienne własności od sąsiadów.

We wnętrzu kapsuł Janusa można umieszczać mikroobiekty, nanodrobiny lub cząsteczki chemiczne, które z powodu swej wrażliwości lub reaktywności wymagają ochrony przed środowiskiem. Zróżnicowane własności obu części kapsuł ułatwiają kontrolę nad ruchem kapsuł i uwalnianiem ich zawartości. Czynniki te powodują, że kapsuły Janusa mogą mieć wiele zastosowań. Zaproponowana metoda wytwarzania tych kapsuł ma więc potencjalnie duże znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego, farbiarskiego czy spożywczego, a także dla rozwoju inżynierii materiałowej i medycyny. Tym większe, że jest to metoda prosta i tania w realizacji.

PUBLIKACJA: "Electroformation of Janus and patchy capsules"; Z. Rozynek, A. Mikkelsen, P. Dommersnes, J. O. Fossum; Nature Communications, 5:3945; 23 May 2014; DOI: 10.1038/ncomms4945. Artykuł udostępniony w całości online dzięki współfinansowaniu przez IChF PAN.

Źródło: Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk