Создана искусственная динамическая самоорганизующаяся система

Двуликие наночастицы способны собираться в устойчивые микротрубчатые структуры при включённом магнитном поле. (Иллюстрация Nature.)

Хотя коллоиды уже использовались при самосборке таких структур, как трубки, никогда ещё подобные процессы не шли в динамических (неравновесных) системах. До последнего времени термин «синхронизация» так и оставался чисто математической абстракцией, и никто не пробовал применить эту концепцию к самоорганизующимся материалам для создания динамических пространственных структур.

Теперь же учёные из Иллинойсского и Северо-Западного университетов (оба — США) создали структуры, напоминающие микротрубочки в живых клетках, с помощью синхронизации осцилляций суспендированных в жидкости силикагелевых частиц, покрытых никелем (с одного бока).

Ещё раз отметим для ясности принципиальное отличие этого вида самосборки от привычных нам термодинамических процессов. Здесь система не сможет самоорганизовываться, находясь в покое (для этого нет никаких движущих сил), и микротрубчатые структуры будут нестабильны. Зато при включении скручивающего магнитного поля сферические частицы начинают прецессировать. Таким образом, сборки микротрубочек действительно являются «динамическими» и требуют внешнего источника энергии, а также постоянного движения частиц.

Но прежде чем дойти до стадии динамической самосборки, были разработаны специальные магнитные янусоподобные частицы (о янусоподобных частицах см., например, здесь), названные в честь древнего бога с двумя лицами — по одному с каждой стороны головы. Для этого на одну из сторон сферических силикагелевых частиц наносилась тонкая плёнка чувствительного к магнитному полю никеля. Так были получены «двуликие» частицы, одна сторона которых была магнитной, а другая — нет. Затем частицы суспендировали в деионизированной воде и внесли в прецессирующее магнитное поле, которое заставило их вращаться вокруг своей оси подобно гироскопам. При сближении частиц друг с другом их магнитные поля начинают взаимодействовать, заставляя синхронизировать фазу и частоту осцилляций, что в конечном итоге приводит к самоорганизации в стабильные микротрубчатые структуры.

Немного варьируя параметры системы, учёные получали возможность формировать трубчатые структуры на свой выбор. Легко догадаться, что выключение магнитного поля приводит к немедленной потере синхронизации и распаду сборок.

Интересно, что те самые легендарные микротрубочки в живых клетках, получить которые синтетически очень и очень тяжело (если вообще возможно), также являются примером динамической самоорганизующейся системы.

Подробности работы можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Nature.

Источник