Ученые разработали метод, с помощью которого они могут свободно заключать микроскопические капли воды и масляной эмульсии в крошечную сферу, состоящую из кристаллов соли – подобно крошечному самоконструирующемуся футбольному мячу оригами, заполненному жидкостью.

Процесс, который они называют «кристаллическим капиллярным оригами», может быть использован во многих областях, от более определенной доставки лекарств до наноразмерных медицинских устройств. Этот метод проиллюстрирован в статье, опубликованной 21 сентября ^-м выпуском журнала Nanoscale .

Большинство людей знакомы с капиллярным действием, или «капиллярностью», как способ, которым вода или другие жидкости могут перемещаться по узким трубкам или другим пористым материалам вопреки силе тяжести (например, внутри сосудистых систем растений или даже в основном, нанесение краски между волосками кисти)

Этот эффект сводится к силам когезии (склонность молекул жидкости слипаться), которые вызывают поверхностное натяжение и адгезию (их склонность к слипанию с поверхностью других веществ).

Сила капиллярности зависит от химического состава жидкости, химии пористого материала и других сил, воздействующих на них обоих. Например, жидкость, обладающая более низким поверхностным натяжением, чем вода, не может удерживать насекомых-водомерок.

Менее знакомо взаимосвязанное явление – эластокапиллярность. Процесс, в котором используется взаимосвязь между капиллярностью и эластичностью крошечного плоского листа твердого материала. В некоторых условиях капиллярные силы могут превосходить сопротивление листа упругому изгибу.

Этим соотношением можно манипулировать для создания «капиллярного оригами» или трехмерных (3D) структур. Когда капля жидкости располагается на плоском листе, последняя может инстинктивно заключать в капсулу первую из-за поверхностного натяжения.

Капиллярное оригами может принимать другие формы, например изгибаться, складываться или складываться самостоятельно. Конкретная геометрическая форма, которую в конечном итоге принимает трехмерная капиллярная оригами-структура, определяется как химическим составом плоского листа, так и жидкостью, а также тщательным проектированием размера и формы листа.

Однако у этих крошечных устройств есть одна большая проблема.

Эти обычные самособирающиеся структуры оригами не могут быть полностью сферическими и всегда будут иметь прерывистые границы или то, что вы могли бы назвать «краями», в результате исходной двухмерной формы листа. Эти края могут оказаться будущими дефектами с потенциалом разрушения перед лицом повышенного напряжения.

Пак Квангсок, руководитель исследования, Корейский институт передовых наук и технологий

Несферические частицы также считаются более неблагоприятными, чем сферические частицы, в отношении клеточного поглощения.

Вот почему исследователи долгое время искали вещества, которые могли бы создать полностью сферическую капиллярную оригами-структуру.

Хёнсу Ким, профессор кафедры машиностроения Корейского передового института науки и технологий

Впервые исследователи выставили такую ​​сферу оригами. Они продемонстрировали, как вместо плоского листа рост кристаллов соли может аналогичным образом проводить действие капиллярного оригами.

То, что они называют «кристаллическим капиллярным оригами», добровольно создает гладкую сферическую оболочку-капсулу из тех же самых эффектов поверхностного натяжения, но теперь спровоцированная инкапсуляция жидкости обеспечивается упруго-капиллярными условиями выращивания кристаллов.

В этом исследовании термин «соль» обозначает соединение, состоящее из одного положительно заряженного иона и другого отрицательно заряженного. Поваренная соль или хлорид натрия – это всего лишь один пример соли. Ученые KAIST использовали четыре других соли: тетрагидрат нитрата кальция, салицилат натрия, пропионат кальция и бикарбонат натрия, чтобы покрыть эмульсию вода-масло.

Как правило, соль, такая как хлорид натрия, имеет кубическую кристаллическую структуру, но эти четыре соли вместо этого создают пластинчатые структуры в виде кристаллитов или «зерен» (микроскопическая форма, которая развивается, когда кристалл впервые начинает расти). Затем эти пластины самостоятельно собираются в безупречные сферы.

Используя рентгеновский дифракционный анализ и сканирующую электронную микроскопию, они исследовали механизм такого образования и пришли к выводу, что именно «давление Лапласа» заставляет пластинки кристаллитов обволакивать поверхность эмульсии.

Давление Лапласа определяет разницу давлений между внешней и внутренней частью изогнутой поверхности в результате поверхностного натяжения на границе раздела между двумя материалами, в данном случае между нефтью и соленой водой.

Ученые предполагают, что эти самособирающиеся наноструктуры могут быть использованы для инкапсуляции в различных секторах, от косметической и пищевой промышленности до доставки лекарств и даже миниатюрных медицинских устройств.

Ссылка на журнал:

Park, K & Kim, H (2021) Капиллярная капсула оригами из кристаллов с самособирающейся наноструктурой. Наноразмер . doi.org/.10.1039/d1nr02456f.

Источник: https://kaist.ac.kr