Paul Dommersnes og Jon Otto Fossum har laget mosaikk-kapsler, som kan få betydning innenfor alt fra medisin til malingsproduksjon. Foto: Per Harald Olsen, NTNU

Små kapsler med store ringvirkninger

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.

KOLLOIDOSOMER: Egentlig har de laget små hule kapsler med ulike egenskaper i forskjellige deler av overflaten. Det høres 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 vi kan bygge alt slags porøst vev og kompositter, eller blandingsmaterialer, av dem. Ja, egentlig bygger det seg selv og organiserer seg selv i forhold til hverandre. Da begynner det plutselig å ligne på noe.

Uttrykk

Kolloider: Små partikler.

Kolloidosomer: Små kapsler med et skall av kolloider.

Mosaikk-kolloidosomer: Små kapsler med et skall av flere ulike kolloider i et mosaikk-mønster.

Myke materialer: Faste materialer som er lette å forandre fasongen til, og som blir flytende mens en smører dem ut. Det forskes for tiden mye på bruk av myke materialer til mange avanserte anvendelser, i alt fra målrettet medisinering til myke roboter. Franskmannen Pierre-Gilles de Gennes (Nobelprisen i fysikk 1991) blir regnet som grunnleggeren av myke materialer som moderne forskningsfelt.

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

Den første idéen kom da Jon Otto Fossum og Paul Dommersnes satt på Café Bonaparte 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. Arbeidet er utført ved Norges teknisk-vitenskapelige universitet (NTNU).

Kapsler og partikler

Kolloidosomer har vært kjent 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 mosaikk-partikler, som har ulike egenskaper i ulike deler av skallet, men de er ikke hule.

To blir til en

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

Tegning 1: Janus-kapsel. Illustrasjon: Wikipedia

Tegning 1: Janus-kapsel. Illustrasjon: Wikipedia

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 bare to ulike deler av skallet.

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

Saken fortsetter under illustrasjonen.

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

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

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

Kan endre form

Egentlig er de bittesmå, disse kolloidosomene. Foreløpig har våre forskere eksperimentert med kaplser med diameter på rundt en millimeter, men forskerne mener det er enkelt å få metoden til å fungere på atskillig mindre lengde skala.

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.

Hvordan det gjøres

Her gjelder det å følge litt med, for dette kan være litt vrient. Dette er det som skjer på tegning 3, som viser hvordan de lager en Janus-kapsel, altså en mosaikk-kapsel med bare to ulike partikler.

Saken fortsetter under illustrasjonen.

Tegning 3: Fremstilling av mosaiske kolloidosomer. Illustrasjon: Nature Communications

Tegning 3: Fremstilling av mosaikk-kolloidosomer. Illustrasjon: Nature Communications

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

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.

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 forskerne 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.

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.