Uma equipe de cientistas da América, China e Japão desenvolveu um mecanismo capaz de explicar a resistência de nanogotículas compostas por biomoléculas. Foi estabelecido que uma carga positiva fraca se forma na superfície das minúsculas gotas, o que causa repulsão eletrostática e impede sua fusão.
Ao misturar água com óleo e agitar intensamente, inicialmente forma-se uma grande quantidade de pequenas gotas de óleo. No entanto, tal sistema é instável: para minimizar a energia superficial, as pequenas gotas tendem a desaparecer e as grandes tendem a aumentar de tamanho. Existem dois processos principais de crescimento: as gotas podem se fundir ao entrar em contato devido ao movimento browniano, ou ocorre o amadurecimento de Ostwald, no qual as pequenas gotas se dissolvem e a substância liberada passa para as maiores.
Sabe-se que nanogotículas contendo proteínas, ácidos nucleicos e outras biomoléculas (com diâmetro de cerca de dezenas de nanômetros) são capazes de manter sua estabilidade por várias horas ou até dias dentro de células vivas. Anteriormente, os cientistas especulavam que essa resistência era devida a reações bioquímicas, bem como à influência do citoesqueleto e de proteínas de superfície, mas a resposta completa a essa questão estava ausente.
A equipe de físicos americanos, chineses e japoneses, liderada por Chen Feipeng da Universidade de Hong Kong, identificou um mecanismo adicional de estabilização das nanogotículas. Os pesquisadores estudaram soluções aquosas de dois polieletrolitos com cargas opostas — PDDA positivamente carregado e PMA negativamente carregado. Esses sistemas são frequentemente usados como um modelo simplificado para imitar condensados biomoleculares formados em soluções de proteínas e ácidos nucleicos.
Os físicos prepararam soluções com diferentes concentrações iniciais, mantendo a proporção PMA para PDDA em cada solução em 1:1. Como resultado, gotas de polieletrolitos foram formadas no meio aquoso, e nos amostras mais concentradas, as gotas tinham inicialmente um tamanho maior. Durante doze horas, observou-se o crescimento dessas gotas usando o método de dispersão dinâmica de luz. Descobriu-se que a taxa de crescimento dependia do tamanho inicial: as maiores gotas (com mais de 500 nanômetros de diâmetro) cresceram rapidamente. As gotas médias demonstraram inicialmente um crescimento muito lento, mas após atingirem um diâmetro de 250–300 nanômetros, começaram a crescer na mesma velocidade que as grandes. As menores gotas (menos de 200 nanômetros) cresceram menos ativamente e, no final, quase não alteraram seu volume durante todo o período de observação.
Os autores dos cálculos concluíram que o amadurecimento de Ostwald para moléculas tão grandes ocorre extremamente lentamente, portanto, o processo dominante deve ser a fusão por colisão. No entanto, essa fusão é bloqueada por uma barreira eletrostática. Como a cadeia positivamente carregada PDDA é significativamente mais longa do que a PMA negativamente carregada, é mais vantajoso para as cadeias curtas de PMA permanecerem no líquido circundante, onde possuem maior liberdade de movimento e flexão, do que dentro de uma gota densa. Isso leva parte das cargas negativas a ficarem fora da gota, causando um pequeno excesso de cargas positivas em sua superfície. Dados obtidos por medições de potencial zeta e modelagem computacional confirmaram que a densidade de carga na superfície é máxima exatamente nas gotas menores. Consequentemente, no sistema onde predominam as pequenas gotas, a barreira eletrostática impede sua união. À medida que o tamanho das gotas aumenta, essa barreira enfraquece, permitindo que parte das gotas se funda, aumente de tamanho, e seu crescimento subsequente se torne praticamente ilimitado.
Em 2024, um grupo de cientistas dos EUA, Reino Unido, Holanda e Alemanha investigou o processo de congelamento de óleo com gotas. Foi descoberto que, com resfriamento rápido, as gotas de óleo deformam o gelo de maneira diferente do esperado: em vez de serem expelidas para fora, elas são pressionadas no estrato de gelo. Os autores explicaram isso pelo fenômeno de Marangoni: com uma mudança brusca no coeficiente de tensão superficial do óleo de silicone, a parte frontal da gota experimenta uma forte tensão superficial, o que causa o movimento do fluido de zonas mais quentes para zonas mais frias.
Os físicos também modelaram o movimento do bigode de foca na água e descobriram que, devido à curvatura da vibrissa, formam-se trilhas de vórtices de von Kármán. Essas trilhas levam ao aumento do ruído autoinduzido e à diminuição da sensibilidade potencial. Os autores do artigo publicado em Physics of Fluids observaram que os resultados obtidos podem ser úteis no desenvolvimento de sensores hidrodinâmicos para veículos subaquáticos.
