Metal, w którym ciecz płynie pod górę

Dzięki laserom femtosekundowym stworzono metal, w którym ciecz płynie wbrew prawu grawitacji.

W naturze, nie jest nowością to, że ciecz płynie wbrew prawu grawitacji. Drzewa są w stanie pobierać i transportować duże ilości wody z korzeni aż do liści, znajdujących się często na wysokości kilkunastu metrów nad ziemią. Możliwe jest to dzięki zjawisku kapilary. Teraz podobny efekt uzyskali naukowcy z Uniwersytetu w Rochester - stworzyli proste metalowe płytki, które są w stanie sprawić, że ciecz popłynie pod górę. Zastosowano te same zasady co w naturze, jednak tym razem prędkość przepływu płynu jest zdecydowanie wyższa.

Innowacyjna konstrukcja metalu może okazać się nieoceniona np. w transportowaniu mikroskopijnych ilości płynu wokół chipów diagnostyki medycznej, przy chłodzeniu procesorów komputerowych, czy nawet w zamianie niemal każdego prostego metalu w powierzchnię antybakteryjną.

- Jesteśmy w stanie zmienić strukturę powierzchni prawie każdego kawałka metalu, dzięki czemu będziemy mogli kontrolować w jaki sposób reaguje on z cieczą – mówi Chunlei Guo, profesor  optyki z Uniwersytetu w Rochester. - Możemy nawet kontrolować kierunek, w którym płynie ciecz, i to, czy ciecz w ogóle przepływa – dodaje.

Do zmiany właściwości powierzchni metalu, profesor Guo i jego asystent, Anatolij Vorobjev, użyli ultraszybkich rozbłysków światła laserowego, tworząc w skali nano i mikro zagłębienia, pojedyncze włókna, czy wybrzuszenia na całej powierzchni metalu. Dzięki postępowi w technologiach laserowych możliwe stało się generowanie ultrakrótkich impulsów pikosekundowych (10-12s) i femtosekundowych (10-15s) - trwających niewyobrażalnie mały ułamek sekundy. Lasery femtosekudnowe, które są w stanie generować impulsy równe jednej biliardowej części sekundy stanowią potężne narzędzie współczesnej chemii i fizyki, pozwalając na zmiany właściwości materiałów, które nie były możliwe wcześniej.

Naukowcy z Laboratorium Laserowej Spektroskopii Molekularnej Politechniki Łódzkiej tak wyjaśniają możliwości jakie niesie zastosowanie laserów femtosekundowych: "Gdy patrzymy na gładką i spokojną powierzchnię wody w szklance lub wina w kieliszku nie podejrzewamy, że wewnątrz trwa wieczny ruch, a atomy z których składają się cząsteczki wody drgają nieustannie w skali femtosekund oraz ma miejsce nieustanne zrywanie i powstawanie wiązań wodorowych, przekazywanie energii oraz inne niezwykle szybkie procesy fizyczne i chemiczne. Pijąc wodę lub wino nie zastanawiamy się nad tym i prawdę mówiąc, w tym momencie nie ma to dla nas większego znaczenia. Może najwyżej zastanawiamy się dlaczego wino jest czerwone i dlaczego nasze reakcje są inne po wypiciu obu tych cieczy. I tu dochodzimy do sedna sprawy. Własności materiałów, obecnych w naszym życiu, od materiałów ubraniowych, przez masy plastyczne, farby, ekrany video, olej, benzynę, leki oraz wiele procesów (np. mechanizmy powodujące zdolność widzenia) są zdeterminowane przez ultraszybkie procesy zachodzące na poziomie molekularnym."

Stosując ultrakrótkie rozbłyski laserowe dużej mocy, badaczom z Uniwersytetu w Rochester udało się tak zmienić właściwości metalu, by znajdująca się na nim ciecz płynęła w „zaprogramowanym” kierunku. Prędkość z jaką płyn może poruszać się wbrew prawu grawitacji wynosi 1 cm na sekundę. Nanostruktury stworzone przez Guo zmieniły sposób w jaki cząsteczki cieczy reagują z cząsteczkami metalu, pozwalając im mniej lub bardziej przyciągać się wzajemnie, w zależności od ustawień. Przy określonych parametrach, nanostruktury metalu łatwiej przylegają do cząsteczek cieczy niż same cząsteczki cieczy przylegają do siebie. Powoduje to, że płyn szybko rozprzestrzeniania się na powierzchni metali.

To, jak ciecz popłynie, można dodatkowo kontrolować poprzez laserowo wyryte w strukturze metalu  kanały. - Wyobraźmy sobie ogromny system wodny, który skurczył się do rozmiarów małego chipa, takiego jak elektroniczne obwody w mikroprocesorze. Dzięki temu możemy wykonać różne badania chemiczne lub biologiczne z każdą odrobiną płynu – mówi Guo. - Krew może precyzyjnie przemieszczać się wzdłuż określonej ścieżki do czujnika diagnozującego choroby. Draśnięcie na skórze może zawierać więcej niż wystarczającą ilość komórek dla mikroanalizy – dodaje.

Zespół profesora Guo stworzył także metal, który zmniejsza przyciąganie między cząsteczkami wody i metalu tworząc zjawisko hydrofobowości (wodowstrętności). - Ponieważ bakterie najczęściej składają się z wody, jest niemożliwe, by rozwijały się na hydrofobowej powierzchni - tłumaczy profesor.

Obecnie by zmienić niewielką powierzchnię metalu potrzeba co najmniej 30 minut pracy lasera. Naukowcy już teraz pracują nad poprawą techniki, tak by skrócić czas potrzebny na modyfikowanie większych elementów. Na szczęście, pomimo wielkich energii, które wyzwalają lasery femtosekundowe, mogą być one zasilane ze zwykłych gniazdek elektrycznych, a to zdecydowanie ułatwia prace nad nowym odkryciem.

Przemysław Goławski