Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Teknologi

Matematika memungkinkan pengaturan kustom ‘boneka bersarang’ cair – ScienceDaily


Meskipun gumpalan yang memesona dalam lampu lava klasik mungkin tampak ajaib, bentuk warna-warni bergerak sebagai respons terhadap perubahan kepadatan dan tegangan permukaan yang disebabkan suhu. Proses ini, yang dikenal sebagai pemisahan fase cair-cair, sangat penting untuk banyak fungsi dalam sel hidup, dan berperan dalam pembuatan produk seperti obat-obatan dan kosmetik.

Sekarang para peneliti Universitas Princeton telah mengatasi tantangan besar dalam mempelajari dan merekayasa pemisahan fase. Sistem mereka, dilaporkan dalam makalah yang diterbitkan 19 November di Surat Ulasan Fisik, memungkinkan untuk desain dan kontrol campuran kompleks dengan beberapa fase – seperti struktur bersarang yang mengingatkan pada boneka matryoshka Rusia, yang merupakan minat khusus untuk aplikasi seperti sintesis dan pengiriman obat.

Sistem mereka memberi para peneliti cara baru untuk memeriksa, memprediksi dan merekayasa interaksi antara beberapa fase cair, termasuk pengaturan campuran dengan sejumlah fase terpisah, kata para peneliti.

Susunan fase didasarkan pada minimalisasi energi permukaan, yang menangkap energi interaksi antar molekul pada antarmuka fase. Hal ini cenderung memaksimalkan bidang kontak antara dua fasa dengan tegangan permukaan rendah, dan meminimalkan atau menghilangkan kontak antar fasa dengan tegangan permukaan tinggi.

Metode baru menggunakan alat matematika dari teori grafik untuk melacak fase mana yang saling berhubungan dalam suatu campuran. Metode ini dapat memprediksi pengaturan akhir fasa dalam campuran ketika energi permukaan diketahui, dan juga dapat digunakan untuk merekayasa balik sifat campuran yang menghasilkan struktur yang diinginkan.

“Jika Anda memberi tahu kami fase mana yang Anda miliki dan apa ketegangan permukaannya, kami dapat memberi tahu Anda bagaimana fase akan mengatur dirinya sendiri. Kami juga dapat melakukannya sebaliknya – jika Anda tahu bagaimana Anda ingin fase tersebut diatur, kami dapat memberi tahu Anda ketegangan permukaan apa yang dibutuhkan, “kata penulis senior Andrej Košmrlj, asisten profesor teknik mesin dan ruang angkasa.

“Pendekatan ini sangat umum, dan kami pikir itu akan berdampak pada banyak bidang yang berbeda,” dari biologi sel dan farmasi hingga pencetakan 3D dan teknologi penyerapan karbon, kata Košmrlj.

Pekerjaan dimulai sebagai makalah junior Milena Chakraverti-Wuerthwein, seorang konsentrator fisika dari Princeton’s Class of 2020. Dia bekerja dengan Sheng Mao, yang saat itu menjadi rekan penelitian postdoctoral di kelompok Košmrlj, membangun penelitian sebelumnya yang mengeksplorasi campuran yang dipisahkan fase. Karya tersebut mengembangkan kerangka komputasi untuk memprediksi jumlah fase yang terpisah dan komposisinya, tetapi tidak secara sistematis menyelidiki pengaturan fase yang sebenarnya.

Chakraverti-Wuerthwein mulai menggambar contoh campuran multikomponen, dengan setiap fase diwakili oleh warna yang berbeda. Pada satu titik, katanya, dia merasa seperti “berputar-putar”, tetapi kemudian “mundur selangkah dan berpikir tentang ciri pembeda yang membuat salah satu morfologi ini berbeda dari yang lain. Saya mendapat gagasan bahwa itu benar-benar tepi tempat fase saling bersentuhan. Itulah lahirnya ide menggunakan grafik, “di mana setiap fase diwakili oleh titik berwarna, dan garis di antara titik menunjukkan fase mana yang saling bersentuhan dalam suatu campuran.

“Itu adalah percikan yang kami butuhkan, karena sekali Anda dapat merepresentasikannya dalam bentuk grafik, maka sangat mudah untuk menghitung semua kemungkinan” untuk pengaturan fase yang berbeda, kata Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein adalah salah satu penulis utama makalah ini bersama dengan Mao, yang sekarang menjadi asisten profesor di Universitas Peking di Cina. Coauthor Hunter Gaudio, lulusan 2020 dari Universitas Villanova, membantu menjalankan simulasi untuk menghasilkan semua pengaturan berbeda dari empat fase selama musim panas 2019 sebagai peserta dalam program Pengalaman Penelitian untuk Sarjana dari Pusat Bahan Kompleks Princeton.

“Biasanya, cairan suka membuat tetesan sederhana, dan tidak banyak lagi. Dengan teori ini, seseorang dapat memprogram tetesan untuk secara spontan tersusun menjadi rantai, tumpukan, atau lapisan bersarang, seperti boneka Rusia,” kata Eric Dufresne, seorang profesor soft and living. materi di ETH Zürich di Swiss, yang tidak terlibat dalam penelitian. “Ini dapat berguna untuk mengendalikan urutan kompleks reaksi kimia, seperti yang ditemukan dalam sel hidup. Tantangan berikutnya adalah mengembangkan metode eksperimental untuk mewujudkan interaksi yang ditentukan oleh teori.”

Košmrlj adalah bagian dari sekelompok anggota fakultas Princeton yang mengeksplorasi berbagai aspek dan aplikasi pemisahan fase cair-cair – fokus utama dari Kelompok Riset Interdisipliner yang baru-baru ini diluncurkan oleh Pusat Bahan Kompleks Princeton dengan dukungan dari National Science Foundation.

Dalam lingkungan cair, ada kecenderungan tetesan kecil berubah menjadi tetesan yang lebih besar dari waktu ke waktu – proses yang disebut kasar. Namun, dalam sel hidup dan proses industri, diinginkan untuk mencapai struktur dengan ukuran tertentu. Košmrlj mengatakan pekerjaan timnya di masa depan akan mempertimbangkan bagaimana pengasaran dapat dikontrol untuk mencapai campuran dengan struktur skala kecil yang ditargetkan. Pertanyaan terbuka lainnya adalah bagaimana campuran multikomponen terbentuk dalam sistem kehidupan, di mana proses biologis aktif dan fisika dasar material keduanya merupakan faktor yang berkontribusi.

Chakraverti-Wuerthwein, yang akan memulai Ph.D. Program dalam ilmu biofisika di University of Chicago pada tahun 2021, mengatakan sangat memuaskan melihat “bahwa inti dari ide yang saya hasilkan ini akhirnya menjadi sesuatu yang berharga yang dapat diperluas menjadi alat yang dapat diterapkan secara lebih luas.”

Pekerjaan ini didukung oleh Yayasan Sains Nasional AS melalui Pusat Sains dan Teknik Penelitian Bahan Universitas Princeton, dan melalui program Pengalaman Penelitian untuk Sarjana dari Pusat Bahan Kompleks Princeton.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney