Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.
Paul Dommersnes og Jon Otto Fossum har funnet en enkel metode som kan få store ringvirkninger. (Bilde: Per Harald Olsen)

MOSAIKK-KOLLOIDOSOMER

Stort norsk gjennombrudd innen ørsmå selvbyggende kapsler

Bygger seg selv og organiserer seg selv i forhold til hverandre.

Uttrykk

  • Kolloider: Små partikler.
  • Kolloidosomer: Små kapsler med et skall laget av kolloider.
  • Mosaikk-kapsler: Små kapsler med et skall satt sammen av flere biter med ulike egenskaper.
  • Myke materialer: Faste materialer som er lette å forandre fasongen til, og som kan bli flytende mens en smører dem ut.  Det forskes for tiden mye på bruk av myke materialer til mange avanserte anvendelser, i alt fra målrettet medisineringen til myke roboter.  Franskmannen Pierre-Gilles de Gennes (Nobelprisen i fysikk 1991) blir regnet som grunnleggeren av myke materialer som moderne forskningsfelt.

Utnytter matematisk prinsipp

  • La oss si at du har to dråper som er delvis dekket av kolloider med to ønskede egenskaper. Når de to smelter sammen, kan hele overflaten bli dekket, selv om dråpene i utgangspunktet ikke var det. Her utnytter de et matematisk prinsipp, nemlig at overflatearealet minsker i forhold til volumet ettersom volumet øker. Arealet øker med radius kvadrert, mens volumet øker med radius i tredje potens.

En samtale på en kafé ble starten på en oppdagelse som kan få betydning for avansert fremstilling av nye myke materialer for bruk i for eksempel medisin, mat, husholdningsprodukter, kosmetikk og maling.

Kort forklart: De har laget små hule kapsler med ulike egenskaper i forskjellige deler av overflaten. Det høres i utgangspunktet ikke mye spennende ut.

Men siden slike kapsler kan organisere seg selv i bestemte former, kan de kanskje brukes for å dyrke hud eller annet kroppsvev, eller man kan bygge alt slags porøst vev og kompositter, eller blandingsmaterialer av dem.

De bygger seg selv og organiserer seg selv i forhold til hverandre. Da begynner det plutselig å ligne på noe.

Les også: – Det er nærmest som alkymi

Mosaikk

De kalles mosaikk-kolloidosomer («patchy colloidosomes» på engelsk), eller mosaikk-kapsler, men navnet skjemmer i hvert fall ikke disse.

De første idéene kom da Jon Otto Fossum og Paul Dommersnes satt på en kafé i Paris og snakket i 2008.

Samtalene som har fulgt mellom de to fysikerne har ledet til strålende oppdagelser som til nå blant annet har ledet til to publikasjoner i det anerkjente tidsskriftet Nature Communications i løpet av mindre enn et år.

Les også: Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp

Kapsler og partikler

Kolloidosomer har vært et aktivt internasjonalt forskningsfelt 10-12 år. De er små kapsler som har et skall med bestemte egenskaper, for eksempel kan kolloidosomer lages slik at skallet oppløses når det kommer til et bestemt sted i kroppen og slik kan en medisin inne i kapslene slippes ut.

Skallet består av kolloidpartikler, som ganske enkelt er små partikler som vi ikke kan se med det blotte øyet.

Andre forskere har tidligere laget kompakte mosaikk-partikler, som har ulike egenskaper i ulike deler av overflaten, men de er ikke hule slik som mosaikk-kapsler er.

Les også: – Hvis vi kunne brette ut poreveggene i fem gram aerogel, ville det dekke Lerkendal stadion

Tegning 2: Om delene i kapslene tiltrekker hverandre, kan de organisere seg i flere ulike strukturer.
Tegning 2: Om delene i kapslene tiltrekker hverandre, kan de organisere seg i flere ulike strukturer. Physics Today, Angelo Cacciuto/Erik Luijten

To blir til en

Fossum og Dommersnes har funnet en ny og enkel metode for å kombinere egenskapene, slik at de får mosaikk-kolloidosomer. Mye av inspirasjonen til dette er hentet fra biologiske prosesser, forteller de to.

De har altså funnet en lett måte å lage hule kapsler som samtidig har stoffer med ulike egenskaper i ulike deler av skallet. Det har de gjort på NTNU-laben med temmelig enkle midler og på sin egen fritid.

Ta en kikk på tegning 1 for en av de enkleste fremstillingene, der halvparten har én type stoff i overflaten, mens den andre halvparten har en annen. En slik kapsel kalles en Janus-kapsel (oppkalt etter den romerske guden Janus med to ansikter), som er en mosaikk-kapsel med kun to ulike deler av skallet.

Om disse delene tiltrekker hverandre, kan de organisere seg i ulike strukturer som vist på tegning 2.

Her begynner det å bli skikkelig interessant, for denne organiseringen gjør altså at du kan dyrke frem ulike lette og myke materialer på en selv-organisert måte.

Våre forskere nøyer seg ikke med å lage kapsler med to ulike halvdeler heller. Ved hjelp av den samme metoden kan de lage flere ulike typer kapsler med striper og lapper.

Les også: Fjerner oljesøl med «super-bakterier»

Kan endre form

Janus-kapsel.
Tegning 1: Janus-kapsel. Wikipedia
Egentlig er de bittesmå, disse kolloidosomene. Foreløpig har våre forskere eksperimentert med kapsler med diameter på rundt en millimeter, men forskerne mener det er enkelt å få metoden til å fungere på atskillig mindre lengdeskala.

Oftest er slike kolloidosomer tenkt på som runde, men Dommersnes og Fossum kan enkelt og raskt lage dem i ulike former og størrelser, noe som vil ha stor nytteverdi.

Les også: Nytt verktøy beregner bærekraftighet for teknologi

Hvordan det gjøres

Her gjelder det å følge litt med, for dette kan være litt vrient. Følg med på figur 3.

Utgangspunktet er to ulike dråper delvis dekket av ulike kolloider på hver overflate. Dråpene med kolloidene ligger i en væske selv.

Ved hjelp av et elektrisk felt, skapes bevegelser i væsken innenfor og utenfor dråpene. Disse bevegelsene fører til at kolloid-partiklene beveger seg mot midten av dråpen, og dermed ligger som et belte rundt midten av hver dråpe.

Bevegelsen i væsken og motsatte elektriske ladninger i dråpene gjør at dråpene automatisk tiltrekkes og smelter sammen. Da sitter du igjen med én kapsel med to ulike kolloider i skallet.

Fossum og Dommersnes har selvsagt ikke jobbet med dette alene. De har hatt Zbigniew Rozynek og Alexander Mikkelsen med på laget, sammen med en rekke masterstudenter.

De nyeste resultatene er publisert i siste nummer av Nature Communications.

Denne saken ble opprinnelig publisert på Gemini.no – et nettsted for forskningsnytt fra NTNU og Sintef. Artikkelforfatteren er tilknyttet NTNU.

Tegning 3: Fremstilling av mosaiske kolloidosomer.
Tegning 3: Fremstilling av mosaiske kolloidosomer. Nature Communications
Les også:

Disse nanotrådene skal gi mye bedre LED-lys

CO2-rensing koster minst på sokkelen

Norsk-dansk prosjekt jakter på antibiotika 2.0

Før tok det uker å lage biodrivstoff av trær. Nå er det gjort på timer