Теперь исследователи Принстонского университета преодолели серьезную проблему в изучении и разработке фазового разделения. Их система, как сообщается в статье, опубликованной в ноябре.
19 в Physical Review Letters, позволяет создавать и контролировать сложные смеси с несколькими фазами, например, вложенные структуры, напоминающие русских матрешек, которые представляют особый интерес для таких приложений, как синтез и доставка лекарств.
По словам исследователей, их система предоставляет исследователям новый способ изучения, прогнозирования и проектирования взаимодействий между несколькими жидкими фазами, включая расположение смесей с произвольным количеством разделенных фаз.
Расположение фаз основано на минимизации поверхностных энергий, которые захватывают энергии взаимодействия между молекулами на границах раздела фаз. Это способствует увеличению площади контакта между двумя фазами с низким поверхностным натяжением и минимизации или устранению контакта между фазами с высоким поверхностным натяжением.
Новый метод использует математические инструменты теории графов, чтобы отслеживать, какие фазы контактируют друг с другом в смеси. Этот метод может прогнозировать окончательное расположение фаз в смеси, когда известны поверхностные энергии, а также может использоваться для обратного проектирования свойств смеси, которые приводят к желаемым структурам.
"Если вы сообщите нам, какие фазы у вас есть и каково поверхностное натяжение, мы можем сказать вам, как фазы будут располагаться сами по себе. Мы также можем сделать это наоборот – если вы знаете, как вы хотите расположить фазы, мы можем сказать вам, какое поверхностное натяжение необходимо », – сказал старший автор Андрей Коšmrlj, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники.
«Подход очень общий, и мы думаем, что он окажет влияние на множество различных областей», от клеточной биологии и фармацевтики до 3D-печати и технологий связывания углерода, – сказал Коšmrlj.
Работа началась в качестве младшей работы Милены Чакраверти-Вюртвейн, физика-концентратора из Принстонского класса 2020 года. Она работала с Шэн Мао, затем научным сотрудником докторантуры в Коšгруппа mrlj, опираясь на предыдущие исследования, в которых изучались смеси с разделением фаз.
В этой работе была разработана вычислительная структура для прогнозирования количества разделенных фаз и их состава, но систематическое исследование фактического расположения фаз не проводилось.
Чакраверти-Вюртвейн начал рисовать примеры многокомпонентных смесей, где каждая фаза представлена другим цветом. В какой-то момент, по ее словам, ей показалось, что она «ходит по кругу», но затем «сделала шаг назад и подумала об отличительной особенности, которая отличает одну из этих морфологий от другой. Мне пришла в голову идея, что на самом деле это края, где фазы соприкасаются друг с другом.
Так родилась идея использования графиков, «в которых каждая фаза представлена цветной точкой, а линии между точками указывают, какие фазы соприкасаются друг с другом в смеси.
«Это была искра, в которой мы нуждались, потому что как только вы можете представить ее в виде графиков, тогда очень легко перечислить все возможности» для различных схем фаз, – сказал Коšmrlj.
Чакраверти-Вюртвейн является соавтором статьи вместе с Мао, который сейчас является доцентом Пекинского университета в Китае. Соавтор Хантер Гаудио, выпускник Университета Вилланова 2020 года, помогал проводить симуляции для создания всех четких схем четырех этапов летом 2019 года в качестве участника программы для студентов Принстонского центра исследований сложных материалов.
"Обычно жидкости превращаются в простые капли, и ничего больше. С помощью этой теории можно запрограммировать капли, чтобы они спонтанно организовывались в цепочки, стопки или вложенные слои, как русские куклы », – сказал Эрик Дюфрен, профессор мягких и живых материалов в ETH Zurich в Швейцарии, который не принимал участия в исследовании. "Это может быть полезно для управления сложной последовательностью химических реакций, которые обнаруживаются в живых клетках.
Следующей задачей будет разработка экспериментальных методов для реализации взаимодействий, определенных теорией."
Коšmrlj является частью группы преподавателей Принстонского университета, изучающих различные аспекты и применения разделения жидкой и жидкой фаз, что является основным направлением деятельности междисциплинарной исследовательской группы, недавно созданной Принстонским центром сложных материалов при поддержке Национального научного фонда.
В жидкой среде маленькие капли со временем могут превращаться в более крупные – процесс, называемый укрупнением.
Однако в живых клетках и промышленных процессах желательно создавать структуры определенного размера. Коšmrlj сказал, что в будущей работе его команды будет рассмотрено, как можно контролировать укрупнение, чтобы получить смеси с целевыми мелкомасштабными структурами. Другой открытый вопрос – как образуются многокомпонентные смеси в живых системах, где активные биологические процессы и основная физика материалов являются определяющими факторами.
Чакраверти-Вюртвайн, который получит степень доктора философии.D. программа по биофизическим наукам в Чикагском университете в 2021 году, сказала, что было приятно видеть, "что это ядро идеи, которую я придумал, в конечном итоге стало чем-то ценным, что можно было бы расширить в более широко применимый инструмент."
Работа поддержана U.S.
Национальный научный фонд через Центр материаловедения и инженерии Принстонского университета, а также через программу исследований для студентов Принстонского центра сложных материалов.