Zespół kierowany przez Steffena Bisswangera dokonał odkrycia, które może wymusić pewne przewartościowanie w rozumieniu mikroświata. Choć na pierwszy rzut oka wygląda to na laboratoryjną ciekawostkę, konsekwencje mogą dotyczyć całkiem przyziemnych spraw, od produkcji naszych codziennych kosmetyków po zaawansowane metody diagnostyczne. Kluczem do sukcesu okazał się sprytny pomysł z wykorzystaniem efektu Ouzo, dobrze znanego miłośnikom greckich alkoholi.
Efekt Ouzo jako klucz do odkrycia
Nazwa nie jest przypadkowa. Efekt Ouzo obserwujemy, gdy do przezroczystego anyżowego alkoholu dodamy wodę – płyn mętnieje, przybierając mlecznobiały kolor. Dzieje się tak, ponieważ olejki eteryczne rozpuszczone w alkoholu po rozcieńczeniu wytrącają się w postaci milionów mikroskopijnych kropelek. Niemieccy badacze postanowili odtworzyć ten proces w niezwykle precyzyjnych warunkach. W specjalnie zaprojektowanym kanale przepływowym wstrzyknęli mieszankę alkoholu i oleju do strumienia wody. Powstałe w ten sposób kropelki, wielkości rzędu mikrometrów, obserwowano za pomocą kamer wysokiej prędkości.
Czytaj także: Student przypadkiem stworzy płyn, który zdaje się łamać prawa termodynamiki
To, co zarejestrowały kamery, musiało wprawić naukowców w osłupienie. Część kropelek nie tylko stawiała opór przepływowi, ale wyraźnie przemieszczała się pod prąd. Zjawisko tego typu nie było wcześniej opisane w literaturze naukowej. To nie był błąd pomiaru ani artefakt – kropelki naprawdę płynęły w przeciwnym kierunku.
Siły Marangoniego zmieniają zasady gry
Winowajcą tego niecodziennego zachowania okazało się napięcie powierzchniowe, a konkretnie jego lokalne różnice. Mechanizm, zwany od nazwiska włoskiego fizyka siłą Marangoniego, polega na tym, że zmiana stężenia substancji (w tym przypadku alkoholu) na powierzchni kropli generuje gradient napięcia. W praktyce oznacza to, że różne części kropelki doświadczają nierównych sił. Alkohol dyfunduje przez ciecz w sposób zależny od kierunku przepływu, tworząc asymetrię. Ta asymetria jest na tyle silna, że potrafi nie tylko zatrzymać kroplę, ale i popchnąć ją wbrew głównemu nurtowi.
Aby potwierdzić tę hipotezę, zespół Bisswangera przeprowadził szczegółowe symulacje numeryczne we współpracy z naukowcami z University of Twente. Modelowanie matematyczne wykazało, że stan równowagi, w którym kropelka wisi w miejscu, jest niezwykle delikatny. Zależy od całej gamy czynników: rozmiaru kropli, jej położenia w strumieniu, natężenia przepływu i dokładnego składu chemicznego otaczającej cieczy. To pokazuje, jak złożonym systemem jest nawet najprostsza, zdawałoby się, mieszanina.
Od laboratorium do przemysłu
Gdzie można wykorzystać wiedzę o kroplach płynących pod prąd? Pierwszy obszar to przemysł oparty na emulsjach, czyli mieszaninach wody z olejem lub tłuszczem. Kosmetyki, leki, żywność – wszędzie tam miliardy maleńkich kropelek muszą pozostawać stabilne. Steffen Hardt, profesor nanofluidyki i mikrofluidyki z Darmstadt, zwraca uwagę, że zaobserwowany efekt, zachodząc równocześnie w skali makro, mógłby prowadzić do powstawania zupełnie nowych, złożonych struktur w produktach. Można by dzięki temu projektować trwalsze kremy czy precyzyjniej kontrolować uwalnianie substancji aktywnych z leków.
Drugi, być może nawet ciekawszy kierunek, to tzw. laboratoria na chipie. W tych miniaturowych układach, mieszczących całe procedury analityczne na powierzchni znaczka pocztowego, możliwość selektywnego „wyłapywania” lub kierowania pojedynczymi mikrokropelkami otwiera nowe perspektywy. Wyobraźmy sobie system diagnostyczny, który z próbki krwi potrafi izolować tylko konkretne komórki lub pęcherzyki, płynące dokładnie tam, gdzie chcemy. Brzmi futurystycznie, ale fizyczne podstawy takiej technologii właśnie odkryto.
Przyszłość badań nad mikrofluidyką
Odkrycie wpisuje się w szerszy program badawczy Instytutu Nano- i Mikrofluidyki w Darmstadt, który specjalizuje się w zjawiskach transportu w skali mikro. To kolejny z serii interesujących wyników tego zespołu, obok prac nad superkondensatorami czy kontrolą rozpryskiwania. Pełne wyniki badania mają ukazać się drukiem w czasopiśmie „Soft Matter” pod koniec stycznia 2026 roku.
Czytaj także: Dziwny system na dnie Pacyfiku łączy dwa światy. To pierwszy taki obiekt znany nauce
Co z tego wynika dla nas? Przede wszystkim przypomnienie, że nauka wciąż jest pełna niespodzianek. Nawet w dobrze poznanych obszarach czekają fundamentalne odkrycia. Patrząc realistycznie, od obserwacji w mikroskopijnym kanale do komercyjnego zastosowania droga jest daleka. Niemniej, zrozumienie sił Marangoniego w układach wieloskładnikowych to solidny krok naprzód. Daje inżynierom nowe narzędzie do projektowania procesów, w których płyny grają pierwsze skrzypce. I choć trudno dziś przewidzieć wszystkie konsekwencje, jedno jest pewne – mikroświat płynów jest znacznie bardziej skomplikowany i ciekawszy, niż nam się wydawało.