Физики объяснили стабильность маленьких капель

Команда американских, китайских и японских физиков предложила механизм, который может объяснить стабильность биомолекулярных нанокапель. Оказалось, что на поверхности самых мелких капель образуется небольшой положительный заряд. Возникает электростатическое отталкивание, которое мешает каплям сливаться. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Если смешать воду с маслом и как следует встряхнуть, сначала получится множество мелких капель масла. Но такая система будет нестабильной: стремясь уменьшить поверхностную энергию, мелкие капли будут исчезать, а крупные — расти. Существует два основных механизма укрупнения. Капли могут просто сливаться, сталкиваясь благодаря Броуновскому движению. А при Оствальдовом созревании мелкие капли постепенно растворяются, а высвободившееся вещество диффундирует и присоединяется к крупным каплям.

В то же время известно, что в живых клетках нанокапли (то есть самые мелкие капли с диаметром порядка десятков нанометров) белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул могут быть стабильными в течение часов и даже дней. Ученые объясняли такую стабильность протеканием биохимических процессов, а также влиянием цитоскелета и поверхностно-активных белков, однако полной ясности в вопросе не было.

Еще один механизм стабилизации нанокапель обнаружила команда американских, китайских и японских физиков под руководством Чэня Фэйпэня (Feipeng Chen) из Университета Гонконга. Ученые исследовали водные растворы двух противоположно заряженных полиэлектролитов — положительно заряженного PDDA и отрицательно заряженного PМA. Такие системы часто используют как упрощенную модель биомолекулярных конденсатов, образующихся в растворах белков и нуклеиновых кислот. Физики приготовили растворы с разными начальными концентрациями (при этом во всех растворах соотношение PМA и PDDA было всегда 1:1). Во всех растворах образовались капли полиэлектролитов в толще воды, причем в более концентрированных растворах капли изначально были крупнее. 

Затем ученые в течение 12 часов наблюдали за ростом капель с помощью метода динамического рассеяния света. Оказалось, что скорость роста капель зависит от их начального размера. Самые крупные капли (диаметром от 500 нанометров) росли быстро. Средние капли сначала росли очень медленно, но, достигнув диаметра в 250–300 нанометров, начинали расти с такой же скоростью, как крупные. Самые мелкие капли (до 200 нанометров) росли медленнее всего и в итоге почти не изменились в объеме за все 12 часов.

Авторы исследования рассчитали, что Освальдовское созревание для таких крупных молекул идет очень медленно, и доминирующим механизмом должно быть слияние при столкновении. Но оно не реализуется из-за электростатического барьера. Положительно заряженная цепь PDDA гораздо длиннее, чем отрицательно заряженная PMA. Коротким цепям PMA энтропийно выгоднее оставаться в окружающем растворе, где они сохраняют больше свободы для движения и изгибов, чем внутри плотной капли. Из-за этого часть отрицательных зарядов оказывается вне капли, и на ее поверхности возникает небольшой избыток положительных зарядов.  Результаты измерения дзета-потенциалов и компьютерных симуляций показали, что плотность зарядов на поверхности выше всего у мелких капель. Поэтому в системе, где все капли маленькие, электростатический барьер препятствует их слиянию. По мере роста капель электростатический барьер уменьшается, поэтому часть капель начинает сливаться, становится еще крупнее, и их дальнейший рост уже почти ничем не ограничен. 

В 2024 году группа физиков из США, Великобритании, Нидерландов и Германии изучила процесс замерзания воды с каплями масла. Оказалось, что при быстром охлаждении капли масла деформируют лед совсем не так, как ожидалось: не выталкиваются наружу, в вдавливаются в ледяной слой. Авторы объяснили это эффектом Марангони: когда коэффициент поверхностного натяжения силиконового масла меняется очень быстро, передняя часть капли испытывает большую силу поверхностного натяжения, и возникает межфазное движение жидкости от более теплых областей к холодным.