Daniela Krafts grupp har lyckats skapa ett nätverk av mikropartiklar som är både starkt och helt flexibelt. Detta kan låta enkelt, men de är de första i världen att lyckas med det. Prestationen representerar ett verkligt genombrott inom mjuk materiens fysik. Studien publiceras i Physical Review Letters .
Ph.D. kandidaten Julio Melio studerar mikroskopiska, flexibla nätverk och det är inget lätt jobb. I naturen finns sådana mikronätverk i geler, polymerer eller cytoskelettet hos cellerna i din kropp. "Dessa material är böjliga tack vare så kallade mjuka lägen, flexibla tillstånd", förklarar Melio.
"Vi vet inte riktigt hur temperaturen påverkar dessa tillstånd. Det är för komplicerat att studera detta i biologiska system, så vi skapade ett nätverk av mikroskopiska sfärer, kolloider, i labbet. Det enklaste systemet är ett kvadratiskt gitter. Det kan deformeras till en diamantliknande form, till exempel."
Forskaren köper kiseldioxidkolloider och ger dem en beläggning av lipider. Sedan skapar han en DNA-länk för att koppla ihop sfärerna. "Vi använder två typer av DNA-strängar som kan fästa vid varandra och placera dem på kolloider. Dessa kan sedan binda till varandra, men inte till en annan kolloid av samma art. Det speciella med dessa DNA-länkar är att de sammanlänkade partiklarna kan röra sig i förhållande till varandra. Så nätverket är flexibelt."
Därefter börjar det svåra jobbet att få pärlorna i önskad struktur. Det är en ganska stor utmaning, förklarar Melio. "Man plockar upp en kolloid med en så kallad optisk pincett, en laser, och sätter den i kontakt med en andra. Det är så man bygger gallret ett efter ett." Systemet är dock extremt känsligt, så med minsta förändring i omständigheterna får du kvalitativt dåliga sfärer som håller ihop. "Och då tappar systemet sin flexibilitet", säger Melio.
Första gången tog det Ph.D. kandidat nästan tre fjärdedelar av ett år för att göra ett perfekt kvadratiskt rutnät av fem gånger fem kolloider. "Nu kan jag lyckligtvis göra det mycket snabbare", säger han. Detta gör Krafts koncern till den första i världen att bygga en stor mikrostruktur på ett så kontrollerat sätt utan att förlora flexibilitet.
Forskarna har redan fått nya insikter som hjälper till att bättre förstå de mjuka lägena i mikronät. Ju större gittret är, desto mer sannolikt är det att det är i kvadratiskt tillstånd snarare än i diamant. Större strukturer skjuvs också bättre:de deformeras lättare under skjuvkraft än mindre varianter.
Detta är intressant för att utveckla nya metamaterial, där egenskaperna beror på strukturen. Till exempel hur den reagerar på tryck eller hur den kan vikas ihop. Men Melio hoppas särskilt att han kan hitta ett sätt att kontrollera deformationen av mikronätet på distans.
"Då skulle man faktiskt ha basen för en mikrorobot. Dessa används till exempel i biomedicinska tillämpningar, som operationer. Jag är förstås inte så långt än. Jag experimenterar nu med att göra kolloiderna magnetiska för att se om de kan styras utifrån på det här sättet. Det skulle vara riktigt trevligt om jag kunde uppnå det innan jag avslutar min doktorsexamen, säger Melio.
Mer information: Julio Melio et al, Soft and Stiff Normal Modes in Floppy Colloidal Square Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.078202
Tillhandahålls av Leiden University
