Начиная от пыли, прилипающей к поверхности, до способности геккона ходить по потолку — все это возможно благодаря тому, что ученые называют «невидимым клеем природы». Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали быстрый и простой способ наблюдать эти скрытые силы, которые удерживают вместе мельчайшие объекты во Вселенной. Объединив золото, соленую воду и свет, они создали уникальную платформу, где эти силы можно буквально увидеть в виде красочных узоров.
В одной из физических лабораторий Чалмерса докторантка Михаэла Гошкова демонстрирует установку. Она держит стеклянный контейнер, наполненный миллионами микроскопических золотых хлопьев, взвешенных в солевом растворе. С помощью пипетки она помещает одну каплю этой жидкости на стеклянную пластину, покрытую золотом, расположенную под оптическим микроскопом. Почти сразу золотые хлопья притягиваются к поверхности, но останавливаются, не доходя до нее, оставляя после себя чрезвычайно тонкие зазоры, измеряемые в нанометрах — обычно 100–200 нанометров. Эти крошечные полости действуют как миниатюрные световые ловушки, заставляя свет отражаться взад и вперед и создавая яркие цвета. При освещении галогенной лампой микроскопа и анализе с помощью спектрометра свет распадается на разные длины волн. На подключенном мониторе хлопья мерцают и меняют оттенки красного, зеленого и золотого по мере их движения по поверхности. Именно эти меняющиеся цвета на золотисто-желтом фоне монитора раскрывают действующие силы.
«То, что мы видим, — это взаимодействие фундаментальных сил природы друг с другом, — объясняет Михаэла Гошкова, докторантка кафедры физики Технологического университета Чалмерса и первый автор научной статьи в журнале PNAS, где представлена платформа. — Через эти крошечные полости мы теперь можем измерять и изучать силы, которые мы называем «клеем природы» — то, что связывает объекты на самых малых масштабах. Нам не нужно вмешиваться в происходящее, мы просто наблюдаем естественные движения хлопьев».
Свет, заключенный в этих наноскопических полостях, позволяет ученым исследовать тонкий баланс между двумя конкурирующими силами. Одна из них притягивает хлопья к поверхности, а другая отталкивает их. Притягивающая сила, известная как эффект Казимира — напрямую измеряемый квантовый эффект, — заставляет золотые хлопья сближаться друг с другом и с подложкой. Противоположная электростатическая сила, генерируемая заряженными частицами в солевом растворе, не дает им полностью слипнуться. Когда эти силы достигают идеального равновесия, происходит процесс самосборки, создающий полости, которые делают это явление видимым.
«Силы на наномасштабе влияют на то, как собираются различные материалы или структуры, но мы до сих пор не до конца понимаем все принципы, управляющие этой сложной самосборкой, — продолжает Михаэла Гошкова. — Если бы мы полностью их поняли, мы могли бы научиться контролировать самосборку на наноуровне. В то же время мы можем получить представление о том, как те же принципы управляют природой в гораздо больших масштабах, вплоть до формирования галактик».
Новая платформа исследователей Чалмерса — это дальнейшее развитие многолетней работы исследовательской группы профессора Тимура Шегая на кафедре физики. От открытия четыре года назад, что пара золотых хлопьев создает самособирающийся резонатор, ученые теперь разработали метод изучения различных фундаментальных сил. По мнению исследователей, платформа, в которой самособирающиеся золотые хлопья действуют как плавающие датчики, может быть полезна во многих различных научных областях, таких как физика, химия и материаловедение. «Метод позволяет нам изучать заряд отдельных частиц и силы, действующие между ними, — отмечает руководитель исследования Тимур Шегай. — Другие методы изучения этих сил часто требуют сложного оборудования, которое не может предоставить информацию на уровне отдельных частиц».
Еще один способ использования платформы, важный для развития многих технологий, — это получение лучшего понимания того, как отдельные частицы взаимодействуют в жидкостях и либо остаются стабильными, либо имеют тенденцию слипаться. Это может дать новые знания о путях прохождения лекарств через организм, о том, как создавать эффективные биосенсоры или водные фильтры. Но это также важно для повседневных продуктов, которые не должны слипаться, например, для косметики. «Тот факт, что платформа позволяет нам изучать фундаментальные силы и свойства материалов, демонстрирует ее потенциал как действительно многообещающей исследовательской платформы», — подчеркивает Тимур Шегай.
Вернувшись в лабораторию, Михаэла Гошкова открывает коробку с готовым образцом платформы. Она поднимает его пинцетом и показывает, как легко его можно поместить под микроскоп. Две тонкие стеклянные пластины содержат все необходимое для изучения «невидимого клея природы». «Что я нахожу наиболее захватывающим, так это то, насколько само измерение красиво и просто, — говорит Михаэла Гошкова, приближая изображение золотого хлопья в микроскопе, чьи цвета немедленно раскрывают действующие силы. — Метод прост и быстр, основан только на движении золотых хлопьев и взаимодействии света и материи».
Золотые хлопья размером около 10 микрометров помещаются в контейнер, заполненный солевым раствором, то есть водой, содержащей свободные ионы. Когда капля раствора помещается на стеклянную подложку, покрытую золотом, хлопья естественным образом притягиваются к подложке, и появляются нанометровые полости. Самосборка происходит в результате тонкого баланса между силой Казимира и электростатической силой, возникающей между заряженными поверхностями в солевом растворе. Когда простая галогенная лампа освещает крошечные полости, свет внутри них захватывается, как в ловушке. Это позволяет исследователям более внимательно изучать свет с помощью оптического микроскопа, подключенного к спектрометру, который разделяет длины волн света. Варьируя соленость раствора и отслеживая, как хлопья меняют свое расстояние до подложки, можно изучать и измерять действующие фундаментальные силы. Для предотвращения испарения солевого раствора с золотыми хлопьями, капля герметизируется и затем покрывается другой стеклянной пластиной.
Платформа была разработана в лаборатории нанофабрикации Чалмерса, Myfab Chalmers, и в лаборатории анализа материалов Чалмерса (CMAL). Исследование, профинансированное Шведским исследовательским советом, Фондом Кнута и Алисы Валленберг, Центром Vinnova 2D-Tech и программой Nano Area of Advance Технологического университета Чалмерса, опубликовано в научном журнале PNAS под названием «Casimir self-assembly: A platform for measuring nanoscale surface interactions in liquids». Авторами статьи являются Михаэла Гошкова, Олег В. Котов, Бетюль Кючюкоз и Тимур Шегай из Технологического университета Чалмерса, а также Кэтрин Дж. Мерфи из Иллинойского университета, США.
