Эксперименты с полимерами различной длины продемонстрировали, почему наноразмерные капли могут оставаться стабильными в течение длительного времени. Это открытие помогает понять поведение внутриклеточных структур и открывает перспективы для разработки новых материалов в области нанотехнологий.
Оливковое масло и вода — классический пример жидкостей, которые не смешиваются. В кулинарии для их временного объединения применяются эмульгаторы. Тем не менее, в природе и внутри живых клеток капли масла способны оставаться стабильными и неделимыми на протяжении значительного времени. Согласно данным Phys.org, механизм этого явления долгое время оставался неясным, но новое исследование предлагает математическую модель, объясняющую, почему крошечные капли избегают слияния.
Международная группа ученых из Китая, США и Японии объединила эксперименты с теорией, чтобы разобраться, как ведут себя капли в растворе. В качестве модели они использовали водный раствор с двумя типами полимеров — длинным и коротким, — обладающими противоположными электрическими зарядами.
Эксперименты, продолжавшиеся 12 часов, продемонстрировали, что поведение капель напрямую зависит от их начального размера и концентрации раствора. Ученые наблюдали классическое увеличение при высоких концентрациях, когда капли увеличивались по предсказуемому закону. Для капель среднего размера ситуация была иной: они долгое время оставались стабильными, а затем внезапно начинали быстро расти. Особенно удивительным оказалось поведение мельчайших, наноразмерных капель — при низких концентрациях они сохраняли свой размер неизменным на протяжении всего эксперимента.
Ключевым открытием стало то, что происходит на границе капли. Поскольку полимеры имеют разную длину, на поверхности капли образуется разделение электрических зарядов. Несмотря на нейтральность всей системы в целом, сама капля получает суммарный электрический заряд. Этот эффект создает вокруг каждой капли невидимый электростатический барьер. Когда две капли приближаются, они отталкиваются друг от друга, как одноименные полюса магнитов. Барьер особенно эффективен для мелких капель, значительно снижая вероятность их слияния.
Это открытие имеет глубокие последствия. Ученые полагают, что данный механизм объясняет стабильность внутриклеточных структур, известных как конденсаты. В живых клетках такие капли играют важную роль во множестве процессов, а их неправильная работа связана с развитием нейродегенеративных заболеваний.
Понимание того, как контролировать стабильность капель, может предоставить специалистам новые инструменты для управления биологическими процессами и разработки новых материалов в области нанотехнологий. Авторы подчеркивают, что их модель предлагает «общие принципы контроля метастабильных капель» в науке о мягкой материи.
Фото: hi-tech.mail.ru