• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Polacy rozwiązali zagadkę lepkości w skali nano

    28.06.2010. 03:18
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    We wnętrzach żywych komórek, gdzie lepkość środowiska nawet milion razy przewyższa lepkość wody, białka powinny się poruszać niczym mucha w smole. Robią to jednak niewiele wolniej niż w wodzie. Szukając wyjaśnienia tej zagadki, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) odkryli nową zasadę fizyczną. O sukcesie polskich badaczy poinformował Instytut w komunikacie przekazanym PAP. Jak przypomina IChF, w jądrze komórkowym zachodzą procesy biologiczne, choć jest ono tak zatłoczone przez makrocząsteczki, tak lepkie, że białka powinny poruszać się w nim niezwykle wolno. W takich warunkach tempo łączenia się białek w kompleksy oraz przyłączanie się cząsteczek do łańcuchów DNA nie mogą być efektywne.

    "Wiemy jednak, że białka w żywych komórkach poruszają się kilkaset tysięcy razy szybciej niż powinny. Udało nam się odkryć, dlaczego" - informuje prof. dr hab. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).

    Grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem prof. Hołysta wykazała niedawno, że w każdym układzie hydrodynamicznym istnieje fundamentalna skala długości, przy której następuje przejście od makrolepkości do nanolepkości.

    Wielkość tej skali zależy od rozmiarów obiektów obecnych w płynie - w przypadku polimerów będzie to rozmiar kłębka polimerowego, w zawiesinie wirusów - długość pałeczki wirusa.

    "Jeśli cząsteczka polimeru ma rozmiar 10 nanometrów, wówczas każdy obiekt od niej większy, zanurzony w polimerze, będzie odczuwał lepkość makroskopową, a każdy mniejszy - nano" - wyjaśnia prof. Hołyst.

    Naukowcy podkreślają szczególnie ciekawy fakt - zmiany lepkości mają charakter eksponencjalny i w okolicy fundamentalnej skali długości są bardzo gwałtowne. Zmniejszenie rozmiaru płynącego obiektu o 10 nanometrów może się wówczas wiązać ze zmianą lepkości aż o 5-6 rzędów wielkości.

    Odkrycie naukowców - podkreśla w komunikacie IChF PAN - oznacza, że dotychczasowe równania hydrodynamiczne, w których parametr lepkości jest stały, trzeba będzie w przyszłości przeformułować.

    Jak informuje Instytut, pomiary w ramach projektu badawczego przeprowadzono z użyciem najnowszych metod i przyrządów, takich jak mikroskop konfokalny z korelacją fluorescencji FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy). "Ta młoda technika badawcza pozwala śledzić w ognisku lasera zachowanie pojedynczych cząsteczek białek w płynach o objętości mikrometrów sześciennych" - zaznaczono w komunikacie.

    Eksperymenty prowadzono przez pięć lat - przez dwa lata były one sponsorowane m.in. przez brytyjski koncern Unilever, zainteresowany wykorzystaniem wyników przy projektowaniu nowych szamponów i odżywek.

    Jak przypomina IChF PAN, ludzie nie dysponują zmysłami pozwalającymi dobrze identyfikować zmiany lepkości.

    "Lepkość oleju rzepakowego wydaje się nam stosunkowo podobna do lepkości wody, choć ta ostatnia jest aż 400 razy mniejsza. W rezultacie często mylimy lepkość z gęstością. Na przykład szampon składa się w 95 proc. z wody i ma zbliżoną do niej gęstość, mimo to z powodu dużej lepkości rozlewa się na dłoni powoli. Lepki, nie gęsty, jest także miód" - zaznaczono w komunikacie.

    W fizyce lepkość pojawia się jako parametr w odkrytych w XIX wieku równaniach Naviera-Stokesa. Opisują one poprawnie przepływ rzek czy strug powietrza wzdłuż skrzydeł samolotu. Zgodnie z tym opisem, lepkość nie zależy od skali i powinna działać tak samo zarówno w przypadku lecącego samolotu, jak i cząsteczki białka poruszającej się wewnątrz jądra komórkowego. Pomiary mówią jednak co innego.

    Już w latach 50. ubiegłego wieku prowadzone na ultrawirówkach eksperymenty, dotyczące sedymentacji drobnych cząstek przy dużych przeciążeniach, ujawniły zaskakujący fakt. Okazało się, że obiekty kilka miliardów razy mniejsze mogą odczuwać lepkość dziesiątki, a nawet setki tysięcy razy mniejszą od obiektu makroskopowego. Na pytanie o przyczynę tak dramatycznej zmiany lepkości długo nie potrafiono znaleźć odpowiedzi.

    Lepkość badał już Newton, mimo to do dziś pozostaje ona zagadkową własnością przyrody. "Rozumiemy jej pochodzenie w gazach: gdy dwie warstwy gazu przesuwają się względem siebie, cząsteczka może przeskoczyć z warstwy do warstwy, dochodzi do zderzeń i spowolnienia ruchu. Ale gdy gaz robi się gęsty i staje się cieczą, nagle pojawiają się oddziaływania między cząsteczkami i trudno wskazać zjawiska bezpośrednio odpowiedzialne za powstanie lepkości. W rezultacie naukowcy wciąż są na etapie badania lepkości w najprostszych płynach rzeczywistych, zbudowanych z atomów argonu lub innych gazów szlachetnych" - czytamy w komunikacie IChF.

    Instytut podkreśla, że z naukowego punktu widzenia badania nad nanolepkością mają znaczenie fundamentalne. Ponieważ wpływa ona na tempo dyfuzji, limituje szybkość zachodzenia reakcji biochemicznych wewnątrz żywych komórek.

    "Nie przypadkiem białka w komórce, zazwyczaj niewielkie, tworzą kompleksy dopiero w okolicach miejsca mającej zajść reakcji biochemicznej. Jest to konieczne, ponieważ duży kompleks przemieszczałby się milion razy wolniej niż każde z białek osobno" - wyjaśnia prof. Hołyst.

    Naukowcy z IChF PAN mają nadzieję, że ich odkrycie znajdzie zastosowanie w przemyśle, gdzie lepkość odgrywa kluczową rolę w wielu reakcjach biotechnologicznych. Nowa zasada fizyczna będzie miała również istotne znaczenie podczas konstruowaniu nanourządzeń.

    "Nauka wciąż słabo rozumie zjawiska zachodzące w tak małych skalach. Jeśli jednak chcemy budować nanomaszyny, wypadałoby, abyśmy jak najlepiej poznali zjawiska typowe dla świata, w którym mają one działać" - podsumowuje prof. Hołyst.

    ***

    Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych.

    Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie. AGT

    PAP - Nauka w Polsce

    krf/ 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 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 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.

    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 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.

    Lepkościomierz Englera, wiskozymetr Englera – rodzaj lepkościomierza porównawczego, w którym podstawą pomiaru lepkości względnej jest czas wypływu płynu przez kalibrowaną kapilarę umieszczoną w dolnej części zbiornika pomiarowego o pojemności 200 cm³. Dla zapewnienia wymaganej temperatury zbiornik jest termostatowany. Pomiar czasu wypływu oleju kończy się po wypełnieniu do górnej kreski naczynia pomiarowego umieszczanego pod kapilarą. Lepkość (tarcie wewnętrzne, wiskoza) – właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów).

    Lepkościomierz Höpplera, wiskozymetr Höpplera, konsystometr Höplera – lepkościomierz przepływowy, czyli reowiskozymetr. Jest to rodzaj wiskozymetruprzyrządu pomiarowego służącego do pomiaru lepkości dynamicznej cieczy. Wiskozymetr ten został skonstruowany przez niemieckiego chemika Fritza Höpplera. 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.

    Kubek wypływowy (lepkościomierz) – naczynie służące do pomiaru lepkości cieczy, np. farb ciekłych, lakierów. Kształt, pojemność i średnica otworu w dnie zależy od rodzaju kubka i jest określona przez odpowiednią normę. Pomiaru lepkości dokonuje się przez napełnienie kubka mierzoną cieczą i dopuszczenie do swobodnego wypływu cieczy przez otwór w dnie kubka. Czas zupełnego wypływu cieczy podawany w sekundach jest wprost proporcjonalny do lepkości cieczy. Ponieważ lepkość cieczy maleje ze wzrostem temperatury, to przyjęto do pomiaru stosować jednakowe warunki: temperatura 20 °C, ciśnienie 1013,25 hPa.

    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.

    Karl Oswald Engler (ur. 5 stycznia 1842 w Wiesweil (Bawaria), zm. 7 lutego 1925 w Karlsruhe) – chemik niemiecki, twórca metody pomiaru lepkości względnej za pomocą wiskozymetru. Na jego cześć przyrząd do pomiaru lepkości względnej nazwano lepkościomierzem Englera oraz jednostkę lepkości względnej stopniem Englera. Zespół nadlepkości (ang. hyperviscosity syndrome) – zespół objawów spowodowanych zwiększeniem lepkości krwi. Nadmierna lepkość krwi objawiać się może krwawieniem z błon śluzowych, zaburzeniami wzroku spowodowanymi retinopatią, i objawami neurologicznymi, takimi jak bóle głowy, zawroty głowy, drgawki czy śpiączka.

    Reometr kapilarny - urządzenie służące do pomiaru związanego z charakterystyką płynięcia i lepkości mieszanki kauczukowej oraz z oceną lepkości i sprężystości tego materiału w stanie plastycznym. Kra jest określeniem zjawiska geologicznego lub hydrologicznego, w którym wolnopłynące (dryfujące) po obszarach obniżonej lepkości powierzchniowe fragmenty (płyty) różnych kształtów i rozmiarów mogące przemieszczać się poziomo, tworzą się poprzez odłamywanie od pokrywy.

    Dodano: 28.06.2010. 03:18  


    Najnowsze