• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Maleńkie cząsteczki nie czują lepkości

    13.05.2011. 00:47
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Cząsteczki o rozmiarach poniżej kilku nanometrów nie grzęzną w lepkich płynach. Dzięki temu niektóre białka poruszają się swobodnie w cytoplazmie wypełniającej komórki. Reguły te dotyczą wszystkich roztworów - odkryli naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Wyniki swoich badań chemicy z Warszawy opisali w artykule opublikowanym w czasopiśmie "Nano Letters". Wyniki te przydadzą się w praktyce, np. pozwolą lepiej szacować czas migrowania leków wprowadzanych do wnętrza komórek - poinformował Instytut w komunikacie przesłanym PAP.

    Naukowcy z IChF PAN opisali zmiany zachodzące w lepkości mierzonej w różnych roztworach i odczuwanej przez próbniki, czyli cząsteczki związków chemicznych, o rozmiarach od skali nano do makro. "Udoskonaliliśmy nasze wcześniejsze wzory i twierdzenia i z powodzeniem zastosowaliśmy je do większej liczby układów, w tym po raz pierwszy do opisu lepkości cytoplazmy w komórkach rakowych" - mówi prof. dr hab. Robert Hołyst z IChF PAN.

    Pierwszą publikacją naukową nawiązującą do lepkości płynów złożonych była praca Alberta Einsteina z 1906 roku. Z czasem pojawiły się jednak intrygujące wyniki pomiarów lepkości cytoplazmy w komórkach. Wskazywały one, że choć sama cytoplazma ma dużą lepkość, małe białka poruszają się w niej bez większych problemów - wiele rzędów wielkości szybciej niż wynikałoby to ze wzoru Stokesa-Sutherlanda-Einsteina.

    Naukowcom z IChF PAN udało się opisać zmiany lepkości za pomocą jednego wzoru, zawierającego współczynniki tej samej natury fizycznej. Nowy wzór jest uniwersalny i może być stosowany dla próbników o rozmiarach od ułamków nanometrów po centymetry. Opisywane nim zależności obowiązują w płynach różnych typów, takich jak roztwory o elastycznej strukturze mikroskopowej (np. sieci polimerowe w rozmaitych rozpuszczalnikach) i układy mikroskopowo sztywne (np. zbudowane z wydłużonych agregatów cząsteczek - tzw. miceli).

    W pracy opublikowanej w "Nano Letters" badacze zastosowali nowy wzór do opisu ruchu fragmentów DNA i innych próbników w mysich komórkach mięśniowych (Swiss 3T3) i ludzkich komórkach rakowych (HeLa). "Udało się nam wykazać, że lepkość płynu w komórce rzeczywiście zależy nie tylko od struktury wewnątrzkomórkowej, ale także od rozmiaru próbnika użytego przy pomiarze" - wyjaśnia doktorant Tomasz Kalwarczyk z IChF PAN.

    Naukowcy z IChF PAN zmierzyli tzw. długość korelacji, która w cytoplazmie komórek Swiss 3T3 wyniosła 7 nanometrów (nanometr to milion razy mniej niż milimetr), a w komórkach HeLa - 5 nm. Długość korelacji jest dla lepkości wartością graniczną - białka o rozmiarach mniejszych poruszają się w komórce swobodnie. Drugą wyznaczoną wielkością graniczną był promień hydrodynamiczny obiektów tworzących sam płyn. Jest to również istotny parametr, ponieważ próbniki większe od tego promienia podlegają już lepkości makroskopowej (próbniki większe od długości korelacji, lecz mniejsze od promienia hydrodynamicznego "odczuwają" lepkość gwałtownie rosnącą wraz z ich rozmiarami).

    Okazało się, że w komórkach HeLa lepkość makroskopową "odczuwają" próbniki większe od 350 nm, podczas gdy w komórkach Swiss 3T3 próg wynosi zaledwie 120 nm. "Dzięki naszym badaniom pojawiła się nowa metoda charakteryzowania struktury komórek - za pomocą pomiarów lepkości ich cytoplazmy" - podkreśla Kalwarczyk.

    Wyniki badań pozwolą naukowcom lepiej szacować czas migrowania leków wprowadzanych do wnętrza komórek, znajdą także zastosowanie w nanotechnologiach, np. przy wytwarzaniu nanocząstek za pomocą roztworów micel. Ich znaczenie jest też istotne dla nowoczesnych metod pomiarowych, takich jak dynamiczne rozpraszanie światła, pozwalające analizować zawiesiny cząsteczek pod kątem ich rozmiarów. Jeśli nie uwzględni się zależności lepkości od rozmiaru użytego próbnika, wyniki tych pomiarów mogą być obarczone dużymi błędami.

    Badania nad lepkością w IChF PAN są współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach grantu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. 

    PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka

    * Cząsteczki poruszające się w sieci polimerowej płynu złożonego odczuwają różną lepkość w zależności od swych rozmiarów. (Źródło: IChF PAN)

    ** Lepkość zależy nie tylko od mikroskopowej struktury płynu złożonego (na zdjęciu kłąb przewodów obrazuje kłębki polimerowe w cieczy), ale także od rozmiaru użytego próbnika (w demonstracji użyto w tym charakterze piłki tenisowej). Zjawisko przedstawia doktorant Tomasz Kalwarczyk z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


    agt/bsz



    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)

    Lepkościomierz Saybolta – rodzaj lepkościomierza porównawczego stosowanego głównie w USA, w którym podstawą pomiaru lepkości względnej jest czas wypływu płynu przez kalibrowaną kapilarę umieszczoną w dolnej części zbiornika pomiarowego o pojemności 60 cm³. Dla zapewnienia wymaganej temperatury zbiornik jest termostatowany. Do zakresu niskich i średnich lepkości stosuje się pierwszą wielkość kapilary, a lepkość oznacza się SUS (Saybolt universal second) lub SSU (Saybolt second universal). Przy wysokich lepkościach stosuje się drugą kapilarę, a wynik oznacza się wtedy Saybolt Furol seconds (SFS lub SSF).

    Lepkościomierz Redwooda – rodzaj lepkościomierza porównawczego stosowanego głównie w Wielkiej Brytanii, w którym podstawą pomiaru lepkości względnej jest czas wypływu płynu przez kalibrowaną kapilarę umieszczoną w dolnej części zbiornika pomiarowego o pojemności 50 cm³. Dla zapewnienia wymaganej temperatury zbiornik jest termostatowany. Istnieją dwa rodzaje lepkościomierzy Redwooda, dla tego rozróżnia się też dwa rodzaje sekund Redwooda: sekundy Redwooda handlowe i sekundy Redwooda Admirality.

    Lejek Marsha– rodzaj prostego lepkościomierza przeznaczonego do pomiaru lepkości zawiesiny płuczkowej lub specjalnej. Podstawą pomiaru lepkości względnej jest czas wypływu 1000 cm³ płynu przez otwór umieszczony w dolnej części zbiornika. Służy do wykonywania szybkich pomiarów lepkości zawiesiny płuczkowej lub specjalnej. Przed pomiarem lejek powinien być suchy i czysty. Zatyka się palcem otwór, a płyn nalewa poprzez siatkę aby zatrzymać cząstki mogące zablokować rurkę. Po otwarciu otworu uruchamia się stoper. Czas wypływu w [s] stanowi miarę lepkości umownej.

    Lepkościomierz Ubbelohde, Wiskozymetr Ubbelohde – rodzaj lepkościomierza kapilarnego, w którym podstawą pomiaru lepkości kinematycznej jest czas przepływu płynu przez kalibrowaną kapilarę w ściśle określonych warunkach pomiarowych. Wymiar kapilary (a tym samym stałą kapilary) należy tak dobrać aby czas pomiaru nie był ani zbyt długi ani zbyt krótki.

    Lepkościomierz Barbego – rodzaj lepkościomierza porównawczego stosowanego głównie we Francji, w którym podstawą pomiaru lepkości względnej jest ilość płynu w [cm³] jaka wypłynie przez kalibrowaną kapilarę umieszczoną w dolnej części zbiornika pomiarowego. Dla zapewnienia wymaganej temperatury zbiornik jest termostatowany. Uzyskaną wielkość oznacza się jako stopnie Barbe [°B].

    Lepkościomierz Pinkiewicza (zwany też lepkościomierzem Ostwalda-Pinkiewicza) – rodzaj lepkościomierza kapilarnego, w którym podstawą pomiaru lepkości kinematycznej jest czas przepływu płynu przez kalibrowaną kapilarę w ściśle określonych warunkach pomiarowych. Wymiar kapilary (a tym samym stałą kapilary) należy tak dobrać aby czas pomiaru nie był ani zbyt długi ani zbyt krótki. Lepkościomierz jest zbudowany z dwóch rurek połączonych ze sobą. Lewa, szeroka rurka (2) posiada w dolnej części poszerzenie, a w górnej dodatkową rurkę boczną (3). Prawa rurka (1) składa się z dwóch połączonych zbiorniczków (4) osadzonych w środkowej części kapilary.

    Tiksotropia (pamięć cieczy) - właściwość niektórych rodzajów płynów, w których występuje zależność lepkości od czasu działania sił ścinających, które na ten płyn działały. Na przykład niektóre płyny tiksotropowe mogą stać się przez pewien czas mniej lepkie, gdy podda się je intensywnemu mieszaniu. Płyny takie po pewnym czasie (spoczynku) od momentu mieszania ponownie "zastygają", tzn. zwiększają swoją lepkość do normalnej wartości. Możliwe jest jednak także odwrotne zjawisko, tzn. płynem tiksotropowym jest także taka substancja, która czasowo zwiększa swoją lepkość na skutek mieszania. Tiksotropia jest więc procesem odwracalnym; do zniszczenia struktury tiksotropowej płynu wymagane jest dostarczenie energii.

    Dodano: 13.05.2011. 00:47  


    Najnowsze