Medan de fascinerande klumparna i en klassisk lavalampa kan verka magiska, de färgglada formerna rör sig som svar på temperaturinducerade förändringar i densitet och ytspänning. Denna process, känd som vätske-vätskefasseparation, är avgörande för många funktioner i levande celler, och spelar en roll i att tillverka produkter som mediciner och kosmetika.

Nu har forskare vid Princeton University övervunnit en stor utmaning när det gäller att studera och konstruera fasseparation. Deras system, rapporterade i en tidning publicerad 19 november in Fysiska granskningsbrev, möjliggör design och kontroll av komplexa blandningar med flera faser - såsom kapslade strukturer som påminner om ryska matryoshka-dockor, som är av speciellt intresse för tillämpningar som läkemedelssyntes och -leverans.

Deras system ger forskare ett nytt sätt att undersöka, förutsäga och konstruera interaktioner mellan flera vätskefaser, inklusive arrangemang av blandningar med ett godtyckligt antal separerade faser, sa forskarna.

Arrangemanget av faser är baserat på minimering av ytenergier, som fångar interaktionsenergierna mellan molekyler vid fasernas gränssnitt. Detta tenderar att maximera kontaktytan mellan två faser med låg ytspänning, och minimera eller eliminera kontakt mellan faser med hög ytspänning.

Den nya metoden använder grafteorins matematiska verktyg för att spåra vilka faser som kommer i kontakt med varandra i en blandning. Metoden kan förutsäga de slutliga arrangemangen av faser i en blandning när ytenergierna är kända, och kan också användas för att omvända konstruktion av blandningsegenskaper som ger upphov till önskade strukturer.

"Om du berättar för oss vilka faser du har och vad ytspänningarna är, vi kan berätta hur faserna kommer att ordna sig. Vi kan också göra det tvärtom – om du vet hur du vill att faserna ska ordnas, vi kan berätta vilka ytspänningar som behövs, " sa seniorförfattaren Andrej Košmrlj, en biträdande professor i maskin- och flygteknik.

"Tillvägagångssättet är mycket generellt, och vi tror att det kommer att påverka många olika områden, "från cellbiologi och läkemedel till 3D-utskrift och teknik för kolbindning, sa Košmrlj.

Arbetet började som juniortidningen för Milena Chakraverti-Wuerthwein, en fysikkoncentrator från Princetons klass 2020. Hon arbetade med Sheng Mao, sedan en postdoktoral forskarassistent i Košmrljs grupp, bygger på tidigare forskning som utforskade fasseparerade blandningar. Det arbetet utvecklade en beräkningsram för att förutsäga antalet separerade faser och deras sammansättning, men undersökte inte systematiskt de faktiska arrangemangen av faser.

Chakraverti-Wuerthwein började rita exempel på flerkomponentblandningar, med varje fas representerad av en annan färg. Vid en punkt, Hon sa, hon kände att hon gick i cirklar, " men sedan "tog ett steg tillbaka och tänkte på den utmärkande egenskap som gör att en av dessa morfologier skiljer sig från en annan. Jag kom på idén att det egentligen är kanterna där faserna berör varandra. Det var tanken på att använda graferna, " där varje fas representeras av en färgad prick, och linjerna mellan punkterna anger vilka faser som rör varandra i en blandning.

"Det var gnistan vi behövde, för när du väl kan representera det i form av grafer, då är det väldigt lätt att räkna upp alla möjligheter" för olika arrangemang av faser, sa Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein är medledare av tidningen tillsammans med Mao, som nu är biträdande professor vid Peking University i Kina. Medförfattare Hunter Gaudio, en 2020 examen från Villanova University, hjälpte till att köra simuleringar för att producera alla distinkta arrangemang av fyra faser under sommaren 2019 som deltagare i Princeton Center for Complex Materials Research Experience for Bachelor-program.

"I vanliga fall, vätskor gillar att göra enkla droppar, och inte mycket annat. Med denna teori, man kan programmera droppar att spontant organisera sig i kedjor, staplar, eller kapslade lager, som ryska dockor, sa Eric Dufresne, en professor i mjuka och levande material vid ETH Zürich i Schweiz, som inte var inblandad i forskningen. "Detta kan vara användbart för att kontrollera en komplex sekvens av kemiska reaktioner, som finns i levande celler. Nästa utmaning blir att utveckla experimentella metoder för att realisera de interaktioner som specificeras av teorin."

Košmrlj är en del av en grupp av Princeton-fakultetsmedlemmar som utforskar olika aspekter och tillämpningar av vätske-vätskefasseparation - ett huvudfokus för en tvärvetenskaplig forskningsgrupp som nyligen lanserats av Princeton Center for Complex Materials med stöd från National Science Foundation.

I flytande miljöer, det finns en tendens för små droppar att förvandlas till större droppar med tiden - en process som kallas förgrovning. Dock, i levande celler och industriella processer är det önskvärt att uppnå strukturer av specifik storlek. Košmrlj sa att hans teams framtida arbete kommer att överväga hur förgrovning kan kontrolleras för att uppnå blandningar med riktade småskaliga strukturer. En annan öppen fråga är hur flerkomponentblandningar bildas i levande system, där aktiva biologiska processer och materialens grundläggande fysik båda är bidragande faktorer.

Chakraverti-Wuerthwein, som ska påbörja en Ph.D. program i biofysiska vetenskaper vid University of Chicago 2021, sa att det var glädjande att se "att den här kärnan av en idé som jag kom på slutade vara något värdefullt som kunde utökas till ett mer allmänt tillämpbart verktyg."