Teoretycy potrafili zaprojektować modele takich kapsuł, lecz ich wytworzenie było nie lada wyzwaniem. Teraz, dzięki użyciu pola elektrycznego, kapsuły Janusa będzie można wytwarzać łatwo i tanio. Lecz by kapsuły Janusa stały się powszechnie dostępne, muszą powstać efektywne metody ich masowej produkcji. Ważnym krokiem w tym kierunku jest osiągnięcie naukowców z norweskich i francuskich instytucji naukowych oraz Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie.

Dwie krople różnych substancji
Współcześnie nie jest problemem wykonanie kul Janusa – okrągłych, całkowicie wypełnionych mikro- i nanoobiektów, których jedna część ma inne właściwości niż druga. Takie kule tworzy się na przykład zlepiając dwie krople różnych substancji. Po połączeniu nową kroplę wystarczy szybko utrwalić, np. schładzając ją lub doprowadzając do polimeryzacji jej materiałów. Kulami Janusa są m.in. drobiny o połówkach białej i czarnej, stosowane do generowania obrazu w wyświetlaczach elektroforetycznych montowanych w czytnikach e-książek.

– Kapsuły Janusa różnią się od kul Janusa: są puste w środku, a ich powłoka, częściowo przepuszczalna, jest stworzona z cząstek koloidalnych. Jak zrobić taką 'dwulicową bańkę' z mikro- i nanocząstek? Nad tym zastanawia się wielu naukowców. My zaproponowaliśmy naprawdę nieskomplikowane rozwiązanie – mówi dr Zbigniew Rozynek z IChF PAN, który podczas stażu podoktorskiego na Norwegian University of Science and Technology w Trondheim zajmował się stroną eksperymentalną badań nad kapsułami Janusa.

Wytworzenie kapsuły Janusa
W trakcie eksperymentów międzynarodowy zespół naukowców wytwarzał kapsuły Janusa na kroplach o objętości pojedynczych mikrolitrów. Krople były pokrywane m.in. nanocząstkami polistyrenowymi o średnicach ok. 500 nm i szklanymi o średnicach ok. 1000 nm. Używano także drobin polietylenowych zabarwionych w różny sposób.

Doświadczenia przeprowadzano na kroplach oleju zawieszonych w innym oleju. W tak przygotowane środowisko wprowadzano mikro- lub nanocząstki jednego typu, które osadzano na powierzchni wybranej kropli. Następnie na drugiej kropli osadzano drobiny innego typu. Dzięki siłom kapilarnym cząstki trwale utrzymywały się na powierzchniach obu kropel, pokrywając je mniej więcej jednorodnie.

Po włączeniu zewnętrznego pola elektrycznego wewnątrz kropel powstawały mikroprzepływy, które przesuwały drobiny na powierzchni każdej kropli od jej „biegunów” ku „równikowi”. Na tym etapie można było kontrolować upakowanie cząstek koloidalnych poprzez „wstrząsanie” kroplami w wolno zmieniającym się polu elektrycznym.

Później należało jeszcze „przekonać” obie krople, aby nie tylko zetknęły się biegunami, ale żeby się połączyły. Wykorzystano tu znaną od lat elektrokoalescencję.

Ostateczny kształt kapsuły
O ostatecznym wyglądzie kapsuł decydowała liczba drobin osadzonych na powierzchniach pierwotnych kropel. Jeśli drobiny pokrywały obie krople jednorodną warstwą sięgającą niemal do biegunów, efektem połączenia był twór przypominający powierzchnię gruszki. Gdy czyste obszary wokół biegunów kropel składowych były odpowiednio większe, kapsuły Janusa przyjmowały kształt kulisty. Jeśli jednak wstęgi wokół „równików” pierwotnych kropel były wąskie, po połączeniu otrzymano pierścienie, z których jedna część składa się z innych cząstek niż druga.

Cząsteczki chemiczne w kapsułach

We wnętrzu kapsuł Janusa można umieszczać mikroobiekty, nanodrobiny lub cząsteczki chemiczne, które z powodu swej wrażliwości lub reaktywności wymagają ochrony przed środowiskiem. Zróżnicowane własności obu części kapsuł ułatwiają kontrolę nad ruchem kapsuł i uwalnianiem ich zawartości. Czynniki te powodują, że kapsuły Janusa mogą mieć wiele zastosowań.

Zaproponowana metoda wytwarzania tych kapsuł ma więc potencjalnie duże znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego, farbiarskiego czy spożywczego, a także dla rozwoju inżynierii materiałowej i medycyny. Tym większe, że jest to metoda prosta i tania w realizacji.

Źródło: IChF PAN