Wykorzystanie potencjału elektrostatycznego do unieruchamiania obiektów nanometrowych
Kontrolowanie samoorganizacji nanostruktur (struktur o wymiarach w skali pojedynczych atomów lub cząsteczek), w tym nanocząstek i nanoprętów, otwiera drogę do produkowania materiałów o unikalnych właściwościach elektrycznych, magnetycznych i/lub optycznych. Kierowanie samoorganizacją poprzez unieruchamianie obiektów nanometrowych stało się obszarem intensywnych badań w optyce kwantowej, biofizyce i medycynie klinicznej, lecz nadal jest to proces technicznie trudny. Naukowcy przez przypadek odkryli nieoczekiwane, wynikające z geometrii oddziaływania wpływające na izolowanie naładowanych koloidów i makrocząsteczek poprzez przyciąganie elektrostatyczne do jednakowo naładowanych ścianek ograniczających w słabych roztworach jonowych. Aby wyjaśnić istotę tego zjawiska, zainicjowano finansowany przez UE projekt PHOTONANOFLUIDIX ("Self-assembly of confined colloidal objects for the study of nano-optic phenomena"). Naukowcy badają w szczególności źródło nieoczekiwanej siły przyciągania występującej między jednakowo naładowanymi obiektami oraz zależność siły od stężenia roztworu jonowego, rozmiarów cząstek i wielkości izolowanego obszaru. Wiedza ta umożliwi optymalizację procesu samoorganizowania metalicznych lub dielektrycznych nanoobiektów obdarzonych ładunkiem elektrycznym do postaci siatek krystalicznych w celu badania zjawisk rozpraszania światła (efektów plazmonicznych i fotonicznych). Już w pierwszym okresie sprawozdawczym poczyniono ważne postępy. Naukowcy przeprowadzili obliczenia potencjału elektrostatycznego w celu wyjaśnienia zaobserwowanego doświadczalnie unieruchamiania pojedynczych nanoobiektów. Wykonano kolejne eksperymenty z unieruchomionym nanocząstkami złota w roztworach o różnym stężeniu jonowym i różnych geometriach kanałów, uzyskując doskonałą zbieżność między teorią a wynikami doświadczalnymi. Wykraczając poza początkowo zaproponowany zakres prac, naukowcy zademonstrowali również skuteczność unieruchamiania pojedynczych pęcherzyków lipidowych. Wykazano, że odpowiednio dostosowany i modulowany przestrzennie potencjał elektrostatyczny zawiesiny jonowej pozwala unieruchamiać i lewitować naładowane elektrycznie obiekty w roztworze. Umożliwia to bezdotykowe kierowanie samoorganizacją pojedynczych białek i makrocząsteczek w sieci o dużej gęstości. Wyniki tych przełomowych prac opublikowano w prestiżowym piśmie naukowym Nature (Nature 467, 692–695, 6 października 2010 r.). Lepsze poznanie teoretyczne fundamentalnych mechanizmów unieruchamiania pojedynczych nanoobiektów otworzyło drogę dla kilku nieoczekiwanych kierunków badań. Możliwość unieruchamiania miękkich obiektów biologicznych może mieć obiecujące zastosowania w biologii i biofizyce, potencjalnie nawet w połączeniu z pierwotnie badanymi zastosowaniami optycznymi.
