Embora as bolhas hipnotizantes em uma lâmpada de lava clássica possam parecer mágicas, as formas coloridas se movem em resposta às mudanças induzidas pela temperatura na densidade e na tensão superficial. Este processo, conhecido como separação de fase líquido-líquido, é fundamental para muitas funções nas células vivas, e participa da fabricação de produtos como remédios e cosméticos.

Agora, os pesquisadores da Universidade de Princeton superaram um grande desafio no estudo e na engenharia da separação de fases. Seu sistema, relatado em um artigo publicado em 19 de novembro em Cartas de revisão física, permite o projeto e o controle de misturas complexas com várias fases, como estruturas aninhadas que lembram as bonecas russas matryoshka, que são de interesse especial para aplicações como síntese e distribuição de drogas.

Seu sistema fornece aos pesquisadores uma nova maneira de examinar, prever e projetar interações entre várias fases líquidas, incluindo arranjos de misturas com um número arbitrário de fases separadas, disseram os pesquisadores.

O arranjo das fases é baseado na minimização das energias de superfície, que capturam as energias de interação entre as moléculas nas interfaces das fases. Isso tende a maximizar a área de contato entre duas fases com baixa tensão superficial, e minimizar ou eliminar o contato entre as fases com alta tensão superficial.

O novo método usa as ferramentas matemáticas da teoria dos grafos para rastrear quais fases entram em contato umas com as outras dentro de uma mistura. O método pode prever os arranjos finais de fases em uma mistura quando as energias de superfície são conhecidas, e também pode ser usado para fazer engenharia reversa das propriedades da mistura que dão origem às estruturas desejadas.

"Se você nos contar quais fases você tem e quais são as tensões superficiais, podemos dizer como as fases se organizarão. Também podemos fazer o contrário - se você sabe como deseja que as fases sejam organizadas, podemos dizer quais tensões superficiais são necessárias, "disse o autor sênior Andrej Košmrlj, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial.

"A abordagem é muito geral, e achamos que terá um impacto em muitos campos diferentes, "desde biologia celular e produtos farmacêuticos até tecnologias de impressão 3D e sequestro de carbono, disse Košmrlj.

O trabalho começou como o jornal júnior de Milena Chakraverti-Wuerthwein, uma concentradora de física da aula de Princeton de 2020. Ela estava trabalhando com Sheng Mao, em seguida, um associado de pesquisa de pós-doutorado no grupo de Košmrlj, com base em pesquisas anteriores que exploraram misturas separadas por fases. Esse trabalho desenvolveu uma estrutura computacional para prever o número de fases separadas e sua composição, mas não investigou sistematicamente os arranjos reais das fases.

Chakraverti-Wuerthwein começou a desenhar exemplos de misturas de multicomponentes, com cada fase representada por uma cor diferente. Em um ponto, ela disse, ela se sentia como se estivesse "andando em círculos, "mas então" deu um passo para trás e pensou sobre a característica distintiva que torna uma dessas morfologias diferente da outra. Tive a ideia de que são realmente as bordas onde as fases se tocam. Esse foi o nascimento da ideia de usar os gráficos, "em que cada fase é representada por um ponto colorido, e as linhas entre os pontos indicam quais fases se tocam em uma mistura.

"Essa era a faísca que precisávamos, porque uma vez que você pode representá-lo em termos de gráficos, então é muito fácil enumerar todas as possibilidades "para diferentes arranjos de fases, disse Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein é co-autor principal do artigo junto com Mao, que agora é professor assistente na Universidade de Pequim, na China. Co-autor Hunter Gaudio, graduado em 2020 pela Villanova University, ajudou a executar simulações para produzir todos os arranjos distintos de quatro fases durante o verão de 2019 como participante do programa Princeton Center for Complex Materials 'Research Experience para alunos de graduação.

"Normalmente, líquidos gostam de fazer gotículas simples, e não muito mais. Com esta teoria, pode-se programar gotículas para se organizarem espontaneamente em cadeias, pilhas, ou camadas aninhadas, como bonecas russas, "disse Eric Dufresne, professor de materiais suaves e vivos na ETH Zürich, na Suíça, que não participou da pesquisa. "Isso pode ser útil para controlar uma sequência complexa de reações químicas, como encontrado em células vivas. O próximo desafio será desenvolver métodos experimentais para realizar as interações especificadas pela teoria. "

Košmrlj faz parte de um grupo de membros do corpo docente de Princeton que explora várias facetas e aplicações da separação de fase líquido-líquido - um foco importante de um Grupo de Pesquisa Interdisciplinar recentemente lançado pelo Princeton Center for Complex Materials com apoio da National Science Foundation.

Em ambientes líquidos, há uma tendência de pequenas gotículas se transformarem em gotículas maiores com o passar do tempo - um processo denominado engrossamento. Contudo, em células vivas e processos industriais, é desejável obter estruturas de tamanho específico. Košmrlj disse que o trabalho futuro de sua equipe considerará como o engrossamento pode ser controlado para obter misturas com estruturas específicas de pequena escala. Outra questão em aberto é como as misturas de multicomponentes se formam em sistemas vivos, onde os processos biológicos ativos e a física básica dos materiais são ambos fatores contribuintes.

Chakraverti-Wuerthwein, que iniciará o doutorado programa de ciências biofísicas na Universidade de Chicago em 2021, disse que foi gratificante ver "que este núcleo de uma ideia que tive acabou sendo algo valioso que poderia ser expandido em uma ferramenta de aplicação mais ampla."