Forskare som studerar hur bubblor bildas och fungerar skickar en helautomatisk, självständigt experiment i rymden.

Studien, ledd av Tengfei Luo, professor vid avdelningen för rymd- och maskinteknik vid University of Notre Dame, kommer att initieras av astronauter ombord på den internationella rymdstationen (ISS). Genom att använda realtidsresultat som skickas tillbaka till jorden för analys, Luo och hans team hoppas få en bättre grundläggande förståelse för hur bubblor bildas, växa och lossna från fasta ytor med olika nanoskala egenskaper.

Denna information kan förbättra diagnostiska möjligheter för livshotande sjukdomar inklusive vissa cancerformer.

"Det vi tittar på parallellt med forskningen som äger rum på ISS är hur man använder dessa bubblor för att upptäcka cancer i tidiga skeden - när cancerceller fortfarande är i mycket låga koncentrationer, " Sa Luo. "Vår metod är en potentiell metod för att öka känsligheten och förbättra tidig upptäckt av cancer."

I en studie från 2020 publicerad i Avancerade materialgränssnitt , Luo använde framgångsrikt laseruppvärmning för att generera bubblor i en lösning som innehöll biologiska molekyler. Forskarna fann att de kunde locka dessa biomolekyler till bubblan och deponera dem på ytan, skapa en "högt koncentrerad ö". Fynden kan påverka framtida utveckling av högkänslig diagnostik - vilket är föremål för en studie som Luo arbetar med med finansiering från National Science Foundation.

Flera konkurrerande faktorer kan påverka bubblans dynamik:gravitation, som påverkar flytkraften hos en bubbla; gränsytan mellan bubblan och en fast yta, eller kapillärkraft; och minimering av ytspänning på grund av att bubblan försöker vara sfärisk i vätskan. Luos experiment ombord på ISS kommer att testa hur bubblor beter sig i frånvaro av gravitation.

"En fråga vi skulle vilja besvara är, utan påverkan av flytkraft, hur påverkar de andra två faktorerna bubbeldynamiken?" sa Luo.

Bubbelbeteende är nyckeln när de används för att samla biomarkörer för tidig upptäckt av cancer. "Vi vill att bubblan ska stanna på ytan så länge som möjligt så att den kan samla fler biomolekyler i en lösning, " sa han. "Om den blir för stor kommer den att lossna, så vi vill veta hur man konstruerar ytgeometrin – med hjälp av nanostrukturer på ytan för att optimera kapillärkraften och hålla bubblan på ytan under en längre tid. Vi vet att flytkraft är en stor faktor och kan förhindra att en bubbla växer för stor innan den lossnar, så det var därför vi tänkte titta på en miljö där det inte finns någon gravitation som tillåter oss att klargöra den grundläggande fysiken."

Luo fick finansiering från Center for the Advancement of Science in Space och började arbeta med ISS-projektet 2018, men stötte på ett antal förseningar, inklusive uppskjutning på grund av covid-19-pandemin.

För experimentet, han behövde en enhet som kunde skapa en bubbla och spela in bilder och avläsningar av bubblans beteende utan att använda laser – vilket skulle ha kostat 2 miljoner dollar extra – och utan biomolekyler, som, i rymden, kan skapa en biologisk fara. "Så vi fokuserar på grunderna, " sa Luo.

Jobbar med rymdtango, ett företag specialiserat på design och konstruktion av automatiserad hälso- och teknologihårdvara för användning i rymden, Notre Dame-utredningen kommer att installeras på ISS i juni.

Utredningen är inrymd i en liten kub, känt som ett CubeLab, som är utrustad med fyra vätskefack, termisk förmåga att värma lösningen, och en kamera som tar och skickar tillbaka bilder av varje fack i nästan realtid. Luo och hans team kommer också att få temperatur- och tryckavläsningar samt värmeeffektvärden.

"Vi kommer att jämföra dessa fynd med vad vi redan vet om bubbeldynamik på jorden, ger oss en bättre förståelse för de roller olika vätskekrafter spelar, " sa Luo.

Experimentet kommer att äga rum under cirka tre veckor ombord på ISS.