Nauka dla Społeczeństwa

19.03.2024
PL EN
27.11.2014 aktualizacja 27.11.2014

Płyny w mikrozbiorniczkach mogą komunikować się na odległość

Kolejny dowód na to, że świat w skali komórek działa inaczej niż w skali makro! Mikrozbiorniczki połączone niezwykle cienkimi kanałami wykazują zachowania kolektywne, choć wydawałoby się, że komunikacja między nimi jest niemożliwa. Naukowcy, w tym Polka, pokazali, że taki efekt jest bardziej powszechny, niż sądzono.

Tajemnicze „oddziaływanie na odległość” odkryto niedawno. Dotychczas obserwowano je wyłącznie w helu schłodzonym do bardzo niskiej temperatury. Jednak model teoretyczny zjawiska - opracowany przez międzynarodowy zespół naukowców - w tym badaczy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie - sugeruje, że do takiej korelacji między zbiorniczkami może dochodzić również w innych płynach i w znacznie bardziej typowych warunkach.

\"Można sobie nawet wyobrazić, że taki efekt ma znaczenie też i w układach biologicznych\" - zwraca uwagę w rozmowie z PAP uczestniczka badań, dr hab. Anna Maciołek z IChF PAN oraz Max-Planck-Institut fuer Intelligente Systeme i Uniwersytetu w Stuttgarcie.

Jak poinformował IChF PAN w przesłanym PAP komunikacie, pierwsze doniesienie o „oddziaływaniu na odległość” między zbiornikami płynów opublikowali w 2010 r. amerykańscy naukowcy. Utworzyli oni między krzemowymi płytkami sieć kilkudziesięciu milionów zagłębień na ciekły hel, połączonych wąziutkimi kanalikami. To, jak wyglądałoby doświadczenie powiększone milion razy, przybliża dr Maciołek. „Zmieńmy na chwilę skalę i wyobraźmy sobie sześcienne pojemniki, każdy o boku dwóch metrów. Każda para pojemników jest połączona rurką długości czterech metrów i średnicy trzech milimetrów. Zgodnie z dotychczasowymi teoriami, tak mały kanał nie powinien synchronizować zjawisk zachodzących w zbiornikach. A jednak w mikroświecie to robił!” - mówi.

Z badań wynikło, że właściwości helu w jednym zbiorniczku zależały od tego, co działo się w pojemniczkach obok. \"Wyobraźmy sobie, że dokonujemy jakiegoś lokalnego zaburzenia w jednym ze zbiorniczków. Okazuje się, że to lokalne zaburzenie jest odczuwane w kolejnych, nawet bardzo dalekich zbiornikach, chociaż połączenie między nimi jest naprawdę maleńkie. Tymczasem korelacje między zbiornikami zanikają bardzo, bardzo powoli\" - przyznaje Maciołek. Tak więc pozornie rozdzielony na miliony niezależnych zbiorniczków silnie schłodzony hel w niewyjaśniony sposób zachowywał się tak, jakby wciąż był fizyczną całością.

Początkowo wydawało się, że efekt ten wynika z pewnych zjawisk kwantowych, które zachodzą tylko w specyficznych, trudnych do uzyskania warunkach - np. w nadciekłym helu (nadciekły hel - powstający w temperaturach bliskich zeru absolutnemu - charakteryzuje się m.in. całkowitym zanikiem lepkości). Jednak zbudowana m.in. przez dr Maciołek teoria, potwierdzona symulacjami komputerowymi, dowodzi, że efekt „oddziaływania na odległość” nie wymaga ekstremalnych warunków i może występować również w klasycznych płynach jednoskładnikowych, a także w mieszaninach.

Aby zjawisko mogło wystąpić, w pierwotnym doświadczeniu ciekły hel musiał być w stanie bliskim pojawieniu się (lub zanikowi) nadciekłości. W przypadku innych płynów niskie temperatury nie są jednak potrzebne. Symulacje pokazały na przykład, że zjawisko komunikacji wystąpić może również w przypadku modelowej mieszanki: wody i lutydyny – oleistej cieczy. Substancje te mieszają się tylko w konkretnym zakresie temperatur i właśnie w tym zakresie temperatur dochodzić może do komunikacji między zbiorniczkami. Naukowcy interpretują, że najważniejszym wymogiem okazało się istnienie przejścia fazowego, i związanego z nim stanu, w którym dwie różne postaci (fazy) płynu mogą występować jednocześnie. Ważne są także rozmiary zbiorników i łączących je kanałów: zjawisko przestaje występować, gdy odległości stają się wyraźnie większe od rozmiarów ludzkich komórek.

\"W układach biologicznych występują naturalnie płyny, które mogłyby spełniać warunki, o których pisaliśmy\" - mówi PAP badaczka i podaje przykład błon komórkowych. Niewykluczone, że panujące właśnie w błonie komórkowej warunki wystarczyłyby do wystąpienia efektu korelacji między różnymi wydawałoby się niezwiązanymi ze sobą elementami.

Na razie wiadomo, że badania mogą znaleźć zastosowanie m.in. w układach mikroprzepływowych. Układy tego typu konstruuje się w celu przeprowadzania doświadczeń chemicznych lub biologicznych w pojedynczych kropelkach. \"Trzeba mieć świadomość, że w pewnych sytuacjach do takiej komunikacji między naczyniami może dochodzić i może mieć ona na doświadczenia wpływ - czasem pożądany, a czasem nie\" - podsumowuje dr Maciołek.

Wyniki badań zaprezentowano w sierpniu na łamach znanego czasopisma fizycznego „Physical Review Letters”.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/ mrt/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024