Când praful se agață de o suprafață sau un geco se plimbă pe un tavan, se întâmplă datorită a ceea ce oamenii de știință numesc "adezivul invizibil al naturii". Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Chalmers din Suedia au dezvoltat o modalitate rapidă și simplă de a observa aceste forțe ascunse care țin împreună cele mai mici obiecte din univers. Combinând aurul, apa sărată și lumina, aceștia au construit o platformă specială unde aceste forțe pot fi de fapt văzute sub forma unor modele colorate.
Într-unul dintre laboratoarele de fizică ale Chalmers, doctoranda Michaela Hošková demonstrează configurația. Ea ține un recipient de sticlă umplut cu milioane de fulgi microscopici de aur suspendați într-o soluție de sare. Cu o pipetă, ea plasează o singură picătură din acest lichid pe o placă de sticlă acoperită cu aur, poziționată sub un microscop optic. Aproape imediat, fulgii de aur sunt atrași spre suprafață, dar se opresc cu puțin înainte de a o atinge, lăsând în urmă goluri extrem de subțiri măsurate în nanometri. Aceste cavități minuscule acționează ca niște capcane de lumină în miniatură, determinând lumina să se reflecte înainte și înapoi și să producă culori vii. Când este iluminată de lampa cu halogen a microscopului și analizată printr-un spectometru, lumina se separă în diferite lungimi de undă. Pe monitorul conectat, fulgii strălucesc și se transformă între nuanțe de roșu, verde și auriu, pe măsură ce se mișcă pe suprafață.
Studierea 'adezivului naturii' folosind lumina prinsă în cavități minuscule
"Ceea ce vedem este modul în care forțele fundamentale din natură interacționează între ele. Prin aceste cavități minuscule, putem acum măsura și studia forțele pe care le numim 'adezivul naturii' - ceea ce leagă obiectele împreună la cele mai mici scări. Nu trebuie să intervenim în ceea ce se întâmplă, doar observăm mișcările naturale ale fulgilor", spune Michaela Hošková, doctorandă la Departamentul de Fizică de la Universitatea de Tehnologie Chalmers și primă autoră a articolului științific din jurnalul PNAS în care este prezentată platforma.
Lumina închisă în interiorul acestor cavități nanoscopice permite oamenilor de știință să exploreze un echilibru delicat între două forțe concurente: una care trage fulgii spre suprafață și alta care îi împinge. Forța atractivă, cunoscută sub numele de efectul Casimir, face ca fulgii de aur să se apropie și să se apropie de substrat. Forța electrostatică opusă, generată de particulele încărcate din soluția de sare, îi împiedică să se lipească complet. Când aceste forțe ating un echilibru perfect, are loc un proces numit auto-asamblare, creând cavitățile care fac acest fenomen vizibil.
"Forțele la scară nanometrică afectează modul în care diferite materiale sau structuri sunt asamblate, dar încă nu înțelegem pe deplin toate principiile care guvernează această auto-asamblare complexă. Dacă le-am înțelege pe deplin, am putea învăța să controlăm auto-asamblarea la scară nanometrică. În același timp, putem obține informații despre modul în care aceleași principii guvernează natura la scări mult mai mari, chiar și modul în care se formează galaxiile", spune Michaela Hošková.
Fulgii de aur devin senzori plutitori
Noua platformă a cercetătorilor de la Chalmers este o dezvoltare suplimentară a mai mulți ani de muncă în grupul de cercetare al profesorului Timur Shegai de la Departamentul de Fizică. De la descoperirea de acum patru ani că o pereche de fulgi de aur creează un rezonator auto-asamblat, cercetătorii au dezvoltat acum o metodă de a studia diverse forțe fundamentale. Cercetătorii cred că platforma, în care fulgii de aur auto-asamblați acționează ca senzori plutitori, ar putea fi utilă în multe domenii științifice diferite, cum ar fi fizica, chimia și știința materialelor.
"Metoda ne permite să studiem sarcina particulelor individuale și forțele care acționează între ele. Alte metode de studiere a acestor forțe necesită adesea instrumente sofisticate care nu pot furniza informații până la nivelul particulelor", spune liderul de cercetare Timur Shegai.
Poate oferi cunoștințe noi despre totul, de la medicamente la biosenzori
O altă modalitate de a utiliza platforma, care este importantă pentru dezvoltarea multor tehnologii, este de a înțelege mai bine modul în care particulele individuale interacționează în lichide și fie rămân stabile, fie tind să se lipească una de alta. Poate oferi noi perspective asupra căilor medicamentelor prin corp, sau asupra modului de a crea biosenzori eficienți, sau filtre de apă. Dar este important și pentru produsele de zi cu zi pe care nu doriți să se aglomereze, cum ar fi cosmeticele.
"Faptul că platforma ne permite să studiem forțele fundamentale și proprietățile materialelor arată potențialul său ca o platformă de cercetare cu adevărat promițătoare", spune Timur Shegai.
În laborator, Michaela Hošková deschide o cutie care conține o probă finită a platformei. O ridică cu pensete și arată cât de ușor poate fi plasată în microscop. Două plăci subțiri de sticlă dețin tot ce este necesar pentru a studia adezivul invizibil al naturii.
"Ceea ce mi se pare cel mai interesant este că măsurarea în sine este atât de frumoasă și ușoară. Metoda este simplă și rapidă, bazată doar pe mișcarea fulgilor de aur și interacțiunea dintre lumină și materie", spune Michaela Hošková, mărind imaginea microscopului pe un fulg de aur, ale cărui culori dezvăluie imediat forțele aflate în joc.
Cum studiază cercetătorii 'adezivul invizibil al naturii'
Fulgii de aur cu dimensiuni de aproximativ 10 micrometri sunt plasați într-un recipient umplut cu o soluție de sare, adică apă care conține ioni liberi. Când o picătură din soluție este plasată pe un substrat de sticlă acoperit cu aur, fulgii sunt atrași în mod natural către substrat și apar cavități de dimensiuni nanometrice (100-200 nanometri). Auto-asamblarea are loc ca urmare a unui echilibru delicat între două forțe: forța Casimir, un efect cuantic direct măsurabil care face ca obiectele să fie atrase unul de celălalt, și forța electrostatică care apare între suprafețele încărcate într-o soluție de sare.
Când o lampă simplă cu halogen iluminează cavitățile minuscule, lumina din interior este capturată ca într-o capcană. Acest lucru permite cercetătorilor să studieze lumina mai atent folosind un microscop optic conectat la un spectometru. Spectrometrul separă lungimile de undă ale luminii, astfel încât să poată fi identificate diferite culori. Prin variația salinității soluției și monitorizarea modului în care fulgii își schimbă distanța față de substrat, este posibilă studierea și măsurarea forțelor fundamentale aflate în joc.
Pentru a preveni evaporarea soluției saline cu fulgii de aur, picătura de fulgi de aur și salina sunt sigilate și apoi acoperite cu o altă placă de sticlă. Platforma a fost dezvoltată la Laboratorul de Nanofabricație Chalmers, Myfab Chalmers, și la Laboratorul de Analiză a Materialelor Chalmers (CMAL).