Влияние невесомости на материалы
Срок годности солнцезащитного крема, стабильность майонеза, эффективность лекарств — всё это зависит от того, что происходит внутри материалов, из которых состоят гели или стёкла. Это неупорядоченные структуры, которые медленно изменяются со временем.
Чтобы по-настоящему понять, как они меняются, группа исследователей из Политехнического университета Милана и Университета Монпелье и CNRS решила изучить их в условиях почти невесомости — в космосе. Статья об этом исследовании опубликована в журнале npj Microgravity в 2024 году.
Создание COLIS
Это привело к разработке COLIS — нового комплекса (экспериментальной лаборатории, установленной на Международной космической станции), посвящённого изучению мягких и сложных веществ в условиях микрогравитации.
COLIS — результат долгосрочного партнёрства между Лукой Чипеллетти (физиком из Лаборатории Шарля Кулона Университета Монпелье и CNRS) и Роберто Пьяцца (профессором физики конденсированных сред в отделе химии, материалов и химической инженерии имени Джулио Натта Политехнического университета Милана, где он руководит лабораторией мягких веществ).
«Изучение этих материалов в условиях микрогравитации позволяет нам изолировать влияние гравитации — незаметной, но решающей силы, которая влияет на их изменение со временем», — объясняет Роберто Пьяцца. «Понимание этих процессов поможет нам разработать более стабильные составы — от лекарств с контролируемым высвобождением до самоорганизующихся материалов».
Методы анализа
COLIS использует методы динамического рассеяния света и корреляционной визуализации для анализа «спекл-паттернов» — крошечных вариаций того, как лазерные лучи проходят через образец, — для мониторинга того, как гели и коллоидные стёкла реструктурируются с течением времени.
В нём также есть системы контролируемой термической стимуляции, позволяющие запускать и затем наблюдать процессы старения материалов точным и воспроизводимым образом.
Ещё одна инновация — возможность измерять флуктуации поляризации в рассеянном свете, что полезно для раннего обнаружения формирования кристаллической фазы.
Применение в исследованиях
Эта функциональность будет использоваться группами Доминике Маэса и Джеймса Луцко из Свободного университета Брюсселя для изучения кристаллизации белков в микрогравитации — ключевого шага на пути к повышению стабильности лекарств и биотехнологическому производству.
«COLIS — это кульминация более чем 25-летней работы с Политехническим университетом Милана», — добавляет Чипеллетти. «Привлечение физики мягких веществ на МКС — это технологический и научный шаг, который открывает новые горизонты в изучении неупорядоченных веществ».
Разработка и запуск COLIS
Разработанный учёными и построенный компанией Redwire Space, COLIS был доставлен на МКС грузовиком Cygnus NG-21, принадлежащим NASA. Комплекс уже полностью работоспособен, анализируя образцы гелей и стёкол, состоящие из коллоидных наночастиц, которые идеально подходят для исследования внутренней реорганизации и процессов старения вещества.
Чипеллетти, Роберто Пьяцца, Стефано Буззакаро (соруководитель проекта Политехнического университета Милана по этому проекту) и Алессандро Мартинелли (постдок в Монпелье) получили первые результаты, которые указывают на то, что гравитация влияет на структуру мягких веществ более заметно, чем ожидалось, влияя на их свойства даже в долгосрочной перспективе.
«Удивительно видеть, как гравитация, столь привычная в нашей повседневной жизни, действует за кулисами, формируя материалы, которые мы используем каждый день», — заключает Пьяцца. «Эти наблюдения помогают нам понять и улучшить поведение материи с течением времени — цель, которая напрямую влияет на качество жизни на Земле».
Предоставлено Политехническим университетом Милана.