Физики объяснили появление капель-многогранников в эмульсиях

Ученые описали механизм изменения формы капель в эмульсиях типа «масло в воде» при охлаждении с образованием монослоя твердой фазы на поверхности. Оказалось, превращение обычных сферических капель в многогранники — это результат действия сил растяжения и изгиба в твердом поверхностном слое, а также сил гравитации. А зависимость формы капли от размера — это следствие спонтанных деформаций твердой поверхности капель. В исследовании опубликованном в Physical Review Letters авторы предлагают модель для описания поведения капель алканов эмульгированных в воде.

В процессе охлаждения, по мере замерзания масляной фазы, капли масла претерпевают целый ряд необычных трансформаций: от объяснимой сферической до икосаэдрической и даже плоской гексагональной. Известны даже случаи образования вытянутых щупальцеподобных структур на поверхности капель. Однако разумного объяснения этим процессам до недавнего времени не было. Причудливые формы капель масляной фазы в эмульсиях были описаны в 2005 году. Недавно были также открыты новые закономерности образования капель сложной формы и открыты новые возможности влияния на эти процессы с помощью температуры, состава масляной фазы и концентрации поверхностно-активной добавки. Системы такого типа распространены в живых организмах, поэтому исследования в этой области помогут лучше понять механизмы обмена веществ в живых клетках.

Тогда как многие экспериментальные методики получения капель необычных форм в эмульсиях на сегодняшний день хорошо отработаны и воспроизводимы, убедительного объяснения процессам, приводящим к таким результатам, до сих пор представлено не было. Одним из предложенных механизмов является наличие так называемой ротаторной фазы толщиной около 300 нанометров вблизи капель. Эта фаза представляет собой квазикристаллическую прослойку между твердым и жидким состоянием масла. Наличие таких прослоек характерно для тяжелых н-алканов. Предполагается , что эта прослойка является «трафаретом» для образования капель необычной формы. Недавние исследования криомикроскопических снимков показали, что твердый слой слишком тонкий для образования ротаторной фазы. Вторым возможным объяснением может служить соперничество упругих сил твердого монослоя на поверхности капли с силами поверхностного натяжения. Последние создают напряжение в структуре монослоя, которое может быть ослаблено за счет изгибов. Этот механизм хорошо описывает поведение белковых оболочек вирусов (капсид). Однако в случае с эмульсиями, эта модель не объясняет зависимости формы от размеров капель.

Ученые из Германии, Израиля и Нидерландов под руководством Илая Слутскина (Eli Sloutskin) и Луки Джиоми (Luca Giomi) из Лейденского и Бар-Иланского университетов показали, что на самом деле вторая модель может объяснить зависимость формы капель от их размеров. Разработанная авторами модель объясняет получаемые в экспериментах формы капель даже с учетом таких факторов, как сила тяжести. Сначала авторы составили уравнения полной энергии капли масла в эмульсии. Эта энергия состоит из стандартной поверхностной энергии, внутриповерхностной энергии вызванной искривлением поверхности, а также энергии изгиба внешнего монослоя. Также, полная энергия капли включает в себя баланс плавучести и силы притяжения. Энергия этого равновесия является результатом разницы плотностей масляной и водной фаз.

Для получения значений радиусов, при которых происходят переходы из сферической формы в икосаэдрическую, и из икосаэдрической в плоскую гексагональную, ученые приравняли энергии соответствующих форм друг к другу, получив массивы значений для этих переходов.

Полученные авторами данные сильно помогут в понимании процессов фазовых переходов в сложных коллоидных системах. Последние не только помогают понять некоторые механизмы жизнедеятельности, но и вызывают постоянный интерес с точки зрения материаловедения. Так например, на основе коллоидного раствора квантовых точек уже сделали катализатор для синтеза очень важного структурного фрагмента современной химии — циклобутана.

Егор Длин