En tresko er ikke like praktisk og enkel som en joggesko. Og se for deg maling som slipper ut farge eller impregnering langsomt over tid slik at du slipper å male så ofte. 

Ganske hverdagslige eksempler og ønsker for deg og meg, men mye grubling og kompliserte eksperimenter for forskerne. 

De siste 10-12 årene har nemlig fysikkforskere verden rundt vært opptatt av hvordan vi kan få faste og harde materialer myke. Men også hvordan den myke materien kan opptre smartere. Anvendelsesområdene er isåfall uendelig mange, for alt fra legemiddelbransjen til robotindustrien ønsker å gjøre verden stadig mer tøyelig. 

LCD-skjermen er et annet eksempel, særlig på mer avansert bruk av myke materialer. Den er ikke i seg selv spesielt myk, men den består av et materiale som kalles væskekrystall, en slags mellomting av væske og krystallisk fast stoff.

Ved hjelp av elektriske felt kan de flytende krystallene lett deformeres, gis forskjellige optiske egenskaper og dermed forskjellig lys og farge. 

• Les også: Nanokobber i myke skjermer

Hule kapsler

– Enkelt sagt: hard materie er sterk, men myk materie kan være mer dynamisk og intelligent, oppsummerer Jon Otto Fossum, professor i fysikk ved NTNU.

Sammen med kollega Paul Dommersnes har han funnet ut at de bittesmå kapslene, eller kolloidosomene, som bidrar til å myke opp faste materialer, også kan gjøres hule og ha ulike egenskaper i forskjellige deler av kapslenes overflate. 

Ved å organisere seg selv og bygge seg selv i forhold til hverandre, danner kolloidosomene det forskerne kaller mosaikkapsler – eller mosaikkolloidosomer – som kanskje kan brukes til å dyrke hud og annet kroppsvev, i det hele tatt all slags porøst vev og kompositter eller blandingsmaterialer.

På kafé i Paris

Selve ideen dukket opp rundt et kafébord i Paris tilbake i 2008. De to professorene diskuterte hvordan biologiske prosesser – selve prinsippet om at all biologisk materie organiserer seg selv ut fra de atomene som universet har tilgjengelig – kan bidra til deres egen forskning på kapsler

– Ideen gikk ut på at vi ville utvide eksperimentene våre til å se hvordan leirepartikler oppfører seg i en dråpe istedet for en fast beholder når ytre elektriske felt påtrykkes, slik vi tidligere har gjort, forteller Fossum.

– Dette er et eksempel på hvordan grunnforskning i fysikk gir anvendelser som vi i utgangspunktet ikke har tenkt på, legger han til. 

Det å etterligne biologiske prosesser er en viktig retning innen forskning på myke materialer. Det innebærer at forskerne forsøker å lage partikler eller enheter som kan etterligne molekyler som for eksempel proteiner. Det vil si at de automatisk slår seg sammen for å bygge større enheter eller reisverk.

Kompakte versus hule kapsler

Kolloidosomer har vært et aktivt internasjonalt forskningsfelt i 10-12 år.

Dette 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, slik at en medisin inne i kapslene slippes ut når den har kommet frem til rett sted. 

Skallet består av kolloidpartikler, som vi ikke kan se med det blotte øyet. Andre forskere har tidligere laget kompakte mosaikkpartikler, som har ulike egenskaper i ulike deler av overflaten, men de er ikke hule slik mosaikkapsler er.

Det som er unikt med de hule mosaikkapslene, er at de kan fange ting og frigjøre dem til bestemte formål, og inngå i lette, porøse strukturer.

• Les også: Følger nanomaterialer i kretsløpet

Ulike egenskaper gir ulike strukturer

Fossum og Dommersnes har altså funnet en metode å kombinere egenskapene til kolloidkapsler og mosaikkpartikler, slik at de får mosaikkapsler. 

Sammen med de to forskerne Zbigniew Rozynek og Alexander Mikkelsen har de altså funnet en måte å lage hule kapsler som samtidig har stoffer med ulike egenskaper i ulike deler av skallet. 

Figur 1 gir en enkel fremstilling av dette. Den ene halvparten har én type stoff i overflaten, mens den andre halvparten har en annen. En slik kapsel kalles en Janus-kapsel, som er en mosaikkapsel der skallet består av bare to ulike deler.

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

Denne organiseringen gjør at du kan dyrke frem ulike lette og myke materialer på en selvorganisert måte.

Ved hjelp av den samme metoden kan forskerne også lage flere ulike typer kapsler, for eksempel med striper og lapper.

Kan endre form

Foreløpig har Dommersnes og Fossum eksperimentert med kapsler med diameter på rundt én millimeter, men de mener det er enkelt å få metoden til å fungere på atskillig mindre lengdeskala.

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

Figur 3 viser hvordan hele prosessen gjøres. 

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 kolloidpartiklene 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.

• Les også: Nanomat for kommende generasjoner

Referanse: 

Rozynek, Zbigniew m.fl.: Electroformation of Janus and patchy capsules, Nature Communications 5:3945 (2014), Sammendrag