Команда учёных из Америки, Китая и Японии разработала механизм, способный объяснить устойчивость нанокапель, состоящих из биомолекул. Было установлено, что на поверхности мельчайших капель формируется слабый положительный заряд, который вызывает электростатическое отталкивание и предотвращает их объединение.
При смешивании воды с маслом и интенсивном взбалтывании изначально образуется большое количество мелких капель масла. Однако такая система нестабильна: для минимизации поверхностной энергии мелкие капли стремятся исчезнуть, а крупные — увеличиться в размерах. Существуют два основных процесса укрупнения: капли могут сливаться при контакте вследствие Броуновского движения, либо происходит Оствальдово созревание, при котором мелкие капли растворяются, а высвобожденное вещество переходит к более крупным.
Известно, что в живых клетках нанокапли, содержащие белки, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы (с диаметром около десятков нанометров), способны сохранять свою стабильность в течение нескольких часов или даже дней. Ранее учёные предполагали, что эта устойчивость обусловлена биохимическими реакциями, а также воздействием цитоскелета и поверхностно-активных белков, но полный ответ на этот вопрос отсутствовал.
Команда американских, китайских и японских физиков, возглавляемая Чэнем Фэйпэнем из Университета Гонконга, выявила дополнительный механизм стабилизации нанокапель. Исследователи изучали водные растворы двух полиэлектролитов с противоположными зарядами — положительно заряженного PDDA и отрицательно заряженного PMA. Эти системы часто используются как упрощённая модель для имитации биомолекулярных конденсатов, которые образуются в растворах белков и нуклеиновых кислот.
Физики подготовили растворы с различными начальными концентрациями, при этом соотношение PMA и PDDA в каждом растворе поддерживалось на уровне 1:1. В результате в водной среде образовались капли полиэлектролитов, причем в более концентрированных образцах капли изначально имели больший размер. В течение двенадцати часов наблюдался рост этих капель с использованием метода динамического рассеяния света. Выяснилось, что скорость роста зависела от первоначального размера: самые большие капли (диаметром свыше 500 нанометров) росли быстро. Средние капли сначала демонстрировали очень медленный рост, но после достижения диаметра 250–300 нанометров начали расти с той же скоростью, что и крупные. Самые мелкие капли (менее 200 нанометров) росли наименее активно и в итоге почти не изменили свой объём за весь период наблюдения.
Авторы расчётов пришли к выводу, что Оствальдово созревание для таких крупных молекул происходит крайне медленно, следовательно, доминирующим процессом должно быть слияние при столкновении. Однако это слияние блокируется электростатическим барьером. Поскольку положительно заряженная цепь PDDA значительно длиннее отрицательно заряженной PMA, коротким цепям PMA выгоднее оставаться в окружающей жидкости, где они обладают большей свободой движения и изгибов, нежели внутри плотной капли. Это приводит к тому, что часть отрицательных зарядов оказывается вне капли, вызывая небольшой избыток положительных зарядов на её поверхности. Данные, полученные в результате измерений дзета-потенциалов и компьютерного моделирования, подтвердили, что плотность заряда на поверхности максимальна именно у мелких капель. Следовательно, в системе, где преобладают маленькие капли, электростатический барьер препятствует их объединению. По мере увеличения размеров капель этот барьер ослабевает, позволяя части капель сливаться, увеличиваться в размере, и их последующий рост становится практически неограниченным.
В 2024 году группа учёных из США, Великобритании, Нидерландов и Германии исследовала процесс замораживания масла с каплями. Обнаружено, что при быстром охлаждении капли масла деформируют лёд иначе, чем ожидалось: вместо выталкивания наружу, они вдавливаются в ледяной слой. Авторы объяснили это явлением Марангони: при резком изменении коэффициента поверхностного натяжения силиконового масла передняя часть капли испытывает сильное поверхностное натяжение, что вызывает перемещение жидкости из более тёплых зон в более холодные.
Физики также смоделировали движение тюленьего уса в воде и установили, что из-за изгиба вибриссы на нём формируются вихревые дорожки Кармана. Эти дорожки приводят к увеличению самоиндуцированного шума и снижению потенциальной чувствительности. Авторы статьи, опубликованной в Physics of Fluids, отметили, что полученные результаты могут быть полезны при разработке гидродинамических датчиков для подводных аппаратов.
