Mogu li se kapljice ulja gibati? Mogu. Kapljice ulja nose električni naboj, pa kad se u emulziju stave elektrode, kapljice će se gibati prema katodi ili anodi, ovisno o polaritetu svoga naboja. Riječ je o elektroforezi, pojavi za koju se zna još od sredine 19. stoljeća. Elektroforezom se ne odvajaju samo tekuće nego  i krute čestice. Njome se mogu odvajati i molekule, dakako one velike (makromolekule). One tamne paralelne napola pruge napola mrlje na prozirnoj podlozi što ih često vidimo u kriminalističkim filmovima, a po kojima oštroumni detektiv ili forenzičar otkriva počinitelja zločina, zapravo su mrlje molekula nastalih cijepanjem DNA koje su odvojene elektroforezom na gelu. Kapljice ulja mogu se, vidimo, pokretati vanjskom silom, električnim poljem – no mogu li se gibati same od sebe, vlastitim pogonom?  

Odgovor je: jedna kapljica ne može – ali mogu dvije. Kapljice se moraju spojiti, sljubiti u jedno tijelo. To kapljično tijelo kao da ima dvije glave ili dva lica koje gledaju na suprotne strane. Stoga su ime dobile po Janu (Janusu), rimskom bogu sa dva lica: jedno gleda u budućnost, drugo u prošlost. Kako se o prošlosti i budućnosti najviše misli na početku godine (Kakvo je bio prošlo ljeto? Hoće li ovo biti bolje?), prvi je mjesec dobio ime upravo po tom bogu – januar.

No vratimo se dvoglavim ili, bolje rečeno, dvoličnim kapljicama. Iako su već dulje vremena poznate, o njima se malo zna. Kako se kreću i zašto se kreću? Od čega ih je najbolje napraviti (da se kreću)? O svemu tome govori znanstveni rad desetorice američkih znanstvenika (koji su međutim došli sa svih strana svijeta, a najviše iz Kine) objavljen u časopisu Matter: „Chemical design of self-propelled Janus droplets“.

Janove se kapljice sastoje od tri komponente: od dva ulja i jedne površinski aktivne tvari (surfaktanta, detergenta). Prvo ulje je 1-joddekan (C₁₀H₂₁I), drugo etoksinonafluorbutan (C₄F₉-O-C₂H₅) ili, skraćeno, EFB. Površinski aktivna tvar je neionski surfaktant Triton X-100. On služi za stabilizaciju kapljica. Kada se te komponente pomiješaju, nastaju sljubljene kapljice, svaka dijametra od oko 60 µm.

Kada se kapljice sljube, odmah se počinju gibati postižući brzinu i od preko 300 µm/s. To je poprilična brzina (0,3 mm/s ili 1 m/h), no još je veća kako je uzmemo relativno, jer kapljični dvojac svake sekunde prevaljuje tri svoje duljine. To bi odgovaralo automobilu koji vozi 50-60 km/h. Postići takvu brzinu nije lako. Ona se postiže najboljim oblikom dvoličnih kapljica, a on se opet postiže najpovoljnijim udjelom surfaktanta u otopini (2 %). I tako to traje i traje dok se joddekan ne otopi, jer za razliku od drugog ulja (EFB), koje je posve netopljivo, joddekan se ipak otapa i to tako da se promjer njegove kapljice svake minute smanjuje za 0,22 µm. Stoga se Janova kapljica posve zaustavlja nakon 75 minuta.

 Gibanje kapljica temelji se na Marangonijevom efektu: talijanski fizičar Carlo Marangoni još je 1855. godine uočio da dvije tekućine koje se razlikuju po površinskoj napetosti mogu na mjestu dodira izazvati gibanje. No to je samo temelj, fizička osnova. Gibanje kapljica ovisi o mnogo faktora – koje su istraživali autori spomenutog rada.

Brzina gibanja kapljica ne ovisi samo o o koncentraciji surfaktanta nego i o brzini otapanja stražnje kapljice te o koeficijentu razdjeljenja (x) dvaju ulja. Taj koeficijent je omjer koncentracija dviju tekućina kada se od njih miješanjem priredi zasićena otopina. Svaki par tekućina ima, jasno je, svoju vrijednost x, pa se stoga znanstvenici nisu zadržali samo na joddekanu i EFB-u. Oni su priredili Janusove kapljice miješanjem haloalkana (analoga joddekana) i fluoriziranih ulja (analoga EFB) te otkrili da najveće brzine dvojne kapljice postižu za x =1. O koeficijentu x ovisi oblik kapljice, no i razlike površinske napetosti zbog koje se (Marangonijev efekt!) kapljice gibaju.

No to nije sve. Ako se kroz otopinu propusti laserska zraka, Janove kapljice će se (zbog zagrijavanja medija) početi gibati prema zraci i to tako da će prema izvoru topline biti okrenuta kapljica fluoriziranog ulja. Primjena? Janusove kapljice već se upotrebljavaju u optici i za izradu senzora. Zato ih treba što bolje istražiti – da bi se mogle usavršiti te još bolje i šire primjenjivati.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Prošle godine mu je izađla još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.