Определенный тип капель масла при охлаждении и сжатии меняет форму: от сферической через икосаэдрическую до плоско-гексагональной. Две конкурирующие теории не могли полностью объяснить это, но теперь письмо Ирет Гарсия-Агилар и Лука Джоми в журнале Physical Review Letter разгадывает загадку.
Это было случайное открытие. Болгарские исследователи из Софийского университета изучали маленькие маслянистые капли алканов в воде, стабилизированные мылоподобными молекулами поверхностно-активного вещества. «Они похожи на капли эмульсии в майонезе, — говорит Лука Джоми, — и, кроме того, они заключены в замороженный монослой молекул алканов и поверхностно-активных веществ».
Когда болгары играли с ними, они поняли, что происходит что-то особенное. При понижении температуры капли меняли форму от обычной сферической до странной, кристаллоподобной икосаэдрической формы. При еще более низких температурах они превращались в четырехгранные ромбы или шестиугольники с растущими щупальцами по углам.
Примерно в то же время другая группа из Университета Бар-Илан в Израиле под руководством Эли Слуцкина, соавтора этого письма, сделала аналогичные наблюдения и в дальнейшем поняла, что маленькие капли более склонны к изменению своей формы по сравнению с большими каплями.
Шестиугольные капли жидкости. Предоставлено: Н. Денков и др. Природа 1-4 (2015) doi:10.1038/nature16189
Экзотический
«Это вдохновляет, это очень экзотично и совершенно неожиданно», — говорит Джиоми. Обычно большие эластичные листы более гибкие и более склонны к изгибу, чем маленькие листы. «Убедиться в этом можно, взяв лист бумаги за одну сторону: лист формата А4 сразу прогнется под собственным весом, а лист меньшего размера, такой как почтовая марка, останется прямым. Чем больше лист, тем выше крутящий момент, который он испытывает, тем легче он гнется».
Группа из Софийского университета сама выдвинула теорию, в которой особый тонкий слой под слоем поверхностно-активных веществ вызывает появление краев, «но более поздние детальные микроскопические изображения, сделанные лабораторией Слауцкина, не выявили такого слоя», — говорит Джоми.
Чтобы объяснить преобразования формы, а также аномальную зависимость от размера, лейденским физикам пришлось включить в свою модель четыре различных компонента: поверхностное натяжение, гравитацию, дефекты и спонтанную кривизну. Последнее является следствием формы молекул, образующих твердый слой. Когда длинные молекулы уложены стопкой, как спички в коробке, поверхность раздела плоская, но когда один из концов молекул толще другого, результирующая мембрана может иметь предпочтительную кривизну.
Странные щупальца
В то время как дефекты и гравитация имеют тенденцию искривлять капли, поверхностное натяжение имеет тенденцию восстанавливать сферическую форму. Но при наличии спонтанной кривизны этот эффект ослабевает по мере того, как капли становятся меньше, что делает маленькие капли склонными к огранке. Это объясняет загадочное поведение, пишут исследователи в статье в Physical Review Letters,.
Однако еще предстоит объяснить одну вещь: странные щупальца, которые развиваются при самых низких температурах. «Но у нас есть идеи, — говорит Джиоми.
Он добавляет, что исследования такого типа являются фундаментальными и основаны на любопытстве. Однако поведение живых клеток всегда вдохновляет. «Биологические клетки обладают необычайной способностью менять свою форму в зависимости от обстоятельств».
Одной из тем исследований Джоми является то, как раковые клетки отделяются от своей основной опухоли и мигрируют в организме, образуя смертельные метастазы. Джоми: «Для этого раковые клетки должны претерпевать кардинальные изменения формы». Понимание того, как простые объекты микронного размера могут автономно изменять свою форму, может иметь решающее значение для расшифровки этих процессов.
Ссылка: «Огранка и сплющивание капель эмульсии: механическая модель», авторы Ирет Гарсия-Агилар, Пьермарко Фонда, Эли Слаутскин и Лука Джоми, 21 января 2021 г., Physical Review Letters,.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.038001
