Kulki cieczy są osobliwą formą nowej substancji wytwarzanej poprzez wtłaczanie kropelek wody do proszków nierozpuszczalnych w wodzie. Otrzymane mikro oraz nanocząstki zachowują się jak miękkie ciała stałe i mogą poruszać się wzdłuż powierzchni bez pozostawiania śladów wody. Takie pozbawione lepkości, hydrofobowe zachowanie może mieć potencjalne zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym oraz technologii mikrofluidalnej. Jednak ciekłe kulki mają swoją piętę Achillesa – roztrzaskują się po upadku z dużej wysokości. Jia Min Chin, Jianwei Xu oraz ich współpracownicy z A*STAR’s Institute of Materials Research and Engineering, oraz Institute of Bioengineering and Nanotechnology opracowali system do szybkiej stabilizacji płynnych kulek w bezpieczny sposób za pomocą pary wodnej w zwyczajnym kleju typu superglue.
Wiele proszków używanych do otrzymywania kulek z cieczy opartych jest na metalo-organicznej strukturze kryształu w którym jony metalu są przeplatane sztywnymi cząstkami organicznymi. Chin, Xu i pozostali naukowcy z zespołu badawczego zbadali czy takie (MO – metal-organic) związki jak np. NH2-MIL-53(Al), złożonego z atomów glinu i cząsteczek aminofenylowych, mogą wzrastać bezpośrednio na powierzchni mikrocząstek tlenku glinu. Zespół zakłada że to podejście może zapewnić dodatkową kontrolę nad strukturą stabilności płynnych kulek. Po potwierdzeniu za pomocą badań rentgenowskich, rozwoju związku metaloorganicznego, zespół zmodyfikował mikrocząstki z każdym łańcuchem węglowodorowym czy też węglofluorowym przekształcając je w super hydrofobowe związki. Następnie, wytworzyli ciekłe kulki wspomagane tlenkiem glinu dodając stopniowo mikrokropelek wody.
Naukowcy odkryli że ich nowe ciekłe kulki wykazują większą stabilność kształtu i struktury niż zwykle, a wszystko dzięki zastosowanym reaktywnym grupom aminowym oraz znacznej chropowatości powierzchni. Jednak naukowcy chcą jeszcze polepszyć ich odporność. Kiedy dostrzegli małe luki pomiędzy cząstkami metaloorganicznymi za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, stwierdzili że niektóre cząsteczki gazu mogą wnikać w pory i stworzyć usieciowaną strukturę w procesie zwanym polimeryzacją międzyfazową ciecz-powietrze. Naukowcy często wykorzystują klej superglue aby zabezpieczać odciski palców na miejscach zbrodni, śladowe ilości wody natychmiast reagują ze składnikami kleju uzyskując błyskawicznie tworzywo sztuczne. Biorąc przykład z wyżej wymienionej sytuacji z życia codziennego, zespół badaczy poddał na szalce Petriego ciekłe kulki MO tlenku glinu oparom superglue, i zaobserwował sztywną powierzchnię polimeru w ciągu kilku sekund. Chin zauważył że proces nie wymaga żadnego ciepła, promieniowania UV czy też chemicznych inicjatorów – bezprecedensowe odkrycie w dziedzinie kapsułkowania płynów np. dla potrzeb farmacji. “Jedynym odczynnikiem w tej reakcji jest woda, dlatego też jest ona zaliczana do ekologicznych reakcji (“green” reactions)” – dodała.
Kulka po przeprowadzeniu eksperymentu zachowała swoje unikalne zachowania nawet po pokryciu jej polimerową osłonką. Te stabilizujące atrybuty obiecują w przyszłości duże dywidendy w zakładach przemysłowych w sektorach oczyszczania gazu, produktów do pielęgnacji ciała oraz przemysłu farmaceutycznego. Technologia ma być skomercjalizowana w ciągu tego roku.
Jak zrobić swoje kulki:
Źródła:
[1] Chin, J. M., et al. Supergluing MOF liquid marbles. Chemical Communications 49, 493–495 (2013).
[2] litlle Jelly Balls by Torsten Hofmann, flickr.com, CC by 2.0