Раскрыта тайна стабильности нанокапель в растворах

Оливковое масло и вода — классический пример несмешивающихся жидкостей. В кулинарии для их временного объединения используют эмульгаторы. Однако в природе и внутри живых клеток капли масла могут оставаться стабильными и неделимыми на протяжении долгого времени. По данным Phys.org, механизм этого явления долгое время оставался загадкой, но новое исследование предлагает математическую модель, объясняющую, почему крошечные капли избегают слияния.

Международная группа ученых из Китая, США и Японии объединила эксперименты и теорию, чтобы понять, как ведут себя капли в растворе. В качестве модели они использовали водный раствор с двумя типами полимеров — длинным и коротким, — которые имеют противоположные электрические заряды.

Эксперименты, длившиеся 12 часов, показали, что поведение капель напрямую зависит от их начального размера и концентрации раствора. Ученые наблюдали классический рост при высоких концентрациях, когда капли укрупнялись по предсказуемому закону. Для капель среднего размера сценарий был иным: они долгое время оставались стабильными, после чего внезапно начинали быстро расти. Самым 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. Из-за того, что полимеры имеют разную длину, на поверхности капли возникает разделение электрических зарядов. Несмотря на то что вся система в целом нейтральна, сама капля приобретает суммарный электрический заряд. Этот эффект создает вокруг каждой капли невидимый электростатический барьер. Когда две капли сближаются, они отталкиваются друг от друга подобно одноименным полюсам магнитов. Барьер особенно эффективен для мелких капель, резко снижая вероятность их слияния.

Открытие имеет далеко идущие последствия. Ученые считают, что этот механизм объясняет стабильность внутриклеточных структур, известных как конденсаты. В живых клетках такие капли играют ключевую роль во многих процессах, а их неправильная работа связана с развитием нейродегенеративных заболеваний.

Понимание того, как контролировать стабильность капель, может дать специалистам новые инструменты для управления биологическими процессами и создания новых материалов в нанотехнологиях. Как отмечают авторы, их модель предлагает «общие принципы контроля метастабильных капель» в науке о мягкой материи.

Ранее ученые рассказали, почему бактерии имеют форму палочек.