Капли Януса научились переносить ДНК в рюкзачке из этанола

Физики предложили способ доставки молекул ДНК с помощью фазового расслоения активно движущейся в масле водно-спиртовой капли. При перемещении, вызванном движением фаз внутри капли, неоднородная водно-спиртовая капля тащит за собой маленькую каплю из чистого спирта с молекулами ДНК внутри, а в заданный момент маленькая капля просто отделяется, оставляя ДНК в нужной точке. Такой подход можно использовать для доставки и других типов молекул, пишут ученые в статье в Communications Physics.

Частицы, которые могут самостоятельно перемещаться в жидкой среде, находят все больше применений: с их помощью предлагают убивать раковые клетки или доставлять антибиотики. Как правило, такие частицы перемещаются благодаря реактивной тяге или за счет собственного вращения под действием внешнего поля. Направленное движение при этом может обеспечить правильно выбранная форма частицы или распределение химических веществ по ее поверхности. Во втором случае часто предлагают использовать частицы Януса, поверхность которых состоит из нескольких различных материалов.

Группа физиков из Германии и Испании под руководством Жана-Батиста Флери (Jean-Baptiste Fleury) из Саарского университета показала, что подобный механизм активного движения и переноса веществ можно реализовать не только с твердыми частицами, но также и с каплями жидкости. При этом, в отличие от твердых частиц, капли Януса могут менять свои свойства прямо во время движения. В эксперименте группы Флери в масло помещались однородные изотропные капли из смеси воды и этанола диаметром от 35 до 80 микрометров. Однако за счет стремления спирта перейти из водной фазы в масляную внутри капли возбуждались гидродинамические потоки, что приводило к активному перемещению всей капли во внешней среде.

При этом движение спирта внутри капли и между фазами сопровождалось захватом из окружающей среды молекул поверхностно-активного вещества. В какой-то момент концентрация этих молекул в капле достигала критического значения, в результате чего в ней происходил переход из однофазного состояния в двухфазное. Из-за этого изначально однородная капля превращалась в движущуюся неоднородную каплю Януса, у которой впереди по ходу движения была большая водная (преимущественно) капля, а сзади располагалась полностью спиртовая капля.

Дальнейшее движение всей этой системы приводило и к дальнейшему расслоению, поэтому капля Януса превращалась в две слипшиеся капли, которые затем и вовсе отсоединялись друг от друга. Весь этот процесс ученые исследовали с помощью метода велосиметрии движущихся частиц и показали, что временем перехода между различными стадиями можно довольно точно управлять с помощью изменения начальных параметров: размера капли и концентрации в ней спирта. Таким образом, можно точно предсказать, в какой момент образуется капля Януса, и когда произойдет ее разделение на две отдельные капли.

После этого физики показали, что такой процесс можно использовать для переноса веществ из одной области пространства в другую. Таким веществом могут быть, например, молекулы ДНК, которые изначально помещаются в однородную каплю, а затем при расслоении полностью переходят в спиртовую фазу. За счет активного движения капля воды «перетаскивает» каплю из этанола с молекулами ДНК внутри, после чего система разделяется, основная капля Януса уплывает дальше, а капля спирта с ДНК внутри остается в той точке, где ее и оставили. Ученые отмечают что точное место «доставки» груза при этом можно контролировать за счет внешних потоков, геометрии стенки, на которую нужно привезти ДНК, или меняя ее смачиваемость.

Такой способ транспортировки молекул ученые сравнивают с переносом груза в рюкзаке, который при достижении цели капля воды «снимает с себя» и оставляет в нужном месте. По словам авторов работы, аналогичный способ может быть реализован не только для смеси воды и этанола, но и для других спиртов и различных типов поверхностно-активных веществ. Ученые отмечают, что в будущем этот механизм может быть усовершенствован для использования, например, при доставке лекарств в организме человека.

У частиц Януса часто находятся довольно неожиданные способы использования. Например твердые частицы Януса, которые чувствительны к электрическому полю и используются в качестве электронных чернил, группа дизайнеров предложила использовать для создания туфель со сменяющимся узором. А более крупные шарики-янусы из пенополистирола, покрытого тонким слоем оксида титана инженеры использовали при создании левитирующего трехмерного дисплея.

Александр Дубов