Создана искусственная динамическая самоорганизующаяся система на основе двуликих частиц

Создана искусственная динамическая самоорганизующаяся система на основе двуликих частиц

 Роман Иванов

Хотя коллоиды уже использовались при самосборке таких структур, как трубки, никогда ещё подобные процессы не шли в динамических (неравновесных) системах. До последнего времени термин «синхронизация» так и оставался чисто математической абстракцией, и никто не пробовал применить эту концепцию к самоорганизующимся материалам для создания динамических пространственных структур.

Теперь же учёные из Иллинойсского и Северо-Западного университетов (оба — США) создали структуры, напоминающие микротрубочки в живых клетках, с помощью синхронизации осцилляций суспендированных в жидкости силикагелевых частиц, покрытых никелем (с одного бока).

Двуликие наночастицы способны собираться в устойчивые микротрубчатые структуры при включённом магнитном поле. (Иллюстрация Nature.)

Ещё раз отметим для ясности принципиальное отличие этого вида самосборки от привычных нам термодинамических процессов. Здесь система не сможет самоорганизовываться, находясь в покое (для этого нет никаких движущих сил), и микротрубчатые структуры будут нестабильны. Зато при включении скручивающего магнитного поля сферические частицы начинают прецессировать. Таким образом, сборки микротрубочек действительно являются «динамическими» и требуют внешнего источника энергии, а также постоянного движения частиц.

Но прежде чем дойти до стадии динамической самосборки, были разработаны специальные магнитные янусоподобные частицы (о янусоподобных частицах см., например, здесь), названные в честь древнего бога с двумя лицами — по одному с каждой стороны головы. Для этого на одну из сторон сферических силикагелевых частиц наносилась тонкая плёнка чувствительного к магнитному полю никеля. Так были получены «двуликие» частицы, одна сторона которых была магнитной, а другая — нет. Затем частицы суспендировали в деионизированной воде и внесли в прецессирующее магнитное поле, которое заставило их вращаться вокруг своей оси подобно гироскопам. При сближении частиц друг с другом их магнитные поля начинают взаимодействовать, заставляя синхронизировать фазу и частоту осцилляций, что в конечном итоге приводит к самоорганизации в стабильные микротрубчатые структуры.

Немного варьируя параметры системы, учёные получали возможность формировать трубчатые структуры на свой выбор. Легко догадаться, что выключение магнитного поля приводит к немедленной потере синхронизации и распаду сборок.

Интересно, что те самые легендарные микротрубочки в живых клетках, получить которые синтетически очень и очень тяжело (если вообще возможно), также являются примером динамической самоорганизующейся системы.

Подробности работы можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Chemistry World.