Слияние органических нанокапель впервые сняли на видео

Химики впервые смогли записать слияние двух органических нанокапель на видео. Такой эксперимент ученые провели с помощью просвечивающей электронной микроскопии с жидкостной ячейкой. Динамику слияния капель ученые подтвердили с помощью компьютерного моделирования. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society.

Если в двухфазную систему, состоящую из воды и органического масла, поместить амфифильные молекулы, в которых одна часть является гидрофобной, а другая часть — гидрофильной, то они будут выстраиваться на межфазной границе так, чтобы гидрофильная часть была направлена в воду, а гидрофобная — в масло. Такие молекулы позволяют получать из несмешивающейся системы вода-масло сложные эмульсии, которые содержат множество пузырьков масла в воде. При определенных составах и концентрациях молекул можно получать и капли с двойной оболочкой, у которых снаружи и внутри находится вода, а между двумя слоями амфифильных молекул расположен тонкий слой масла. Свойства таких эмульсий сильно зависят от размера капель, поэтому динамика их образования и взаимодействия представляет для ученых большой интерес. Но если за эмульсией из пузырьков микронного размера можно наблюдать в оптический микроскоп, то в случае с нанопузырьками методов наблюдения за их взаимодействием в реальном времени до настоящего времени предложено не было.

Группа химиков из США, Италии и Нидерландов под руководством Натана Джаннески (Nathan C. Gianneschi) из Калифорнийского Университета в Сан-Диего впервые смогла записать динамику слияния двухслойных органических нанопузырьков в реальном времени с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Для этого они использовали специальную жидкостную ячейку, в которую можно поместить исследуемую эмульсию без необходимости замораживать ее. Окошки такой ячейки, сквозь которую проходит электронный пучок, состоят из нитрида кремния толщиной около 30 нанометров. Подобный метод уже использовали для изучения динамики более крупных объектов, но в данной работе впервые удалось использовать его для исследования диффузионного движения, взаимодействия и возможного слияния капель размером в несколько десятков нанометров.

Предложенная конфигурация электронной микроскопии, во-первых, позволяет оценить структуру капли и показать, что это действительно двухслойные пузырьки, и внутри них, как и снаружи, находится водный раствор, а сами они состоят из двойной мембраны. Во-вторых, с помощью нее можно проследить за диффузионным движением таких частиц и их взаимодействием.

Оказалось, что при возможном столкновении друг с другом нанокапельки эмульсии чаще отталкиваются друг от друга, но в некоторых случаях они сливаются, образуя капли большего размера. Поэтому если изначально внутрь ячейки помещалась эмульсия с каплями диаметром около 20 нанометров, то в процессе эксперимента примерно за две минуты размер капель вырастал до ста нанометров.

Один из естественных вопросов, возникающих при анализе полученных данных, — не влияет ли электронный пучок, с помощью которого проводится анализ, на подвижность капель. Для того, чтобы проверить это, результаты эксперимента химики сравнили с данными компьютерного моделирования подобных систем. Моделирование подтвердило, что динамика капель с известной структурой при слиянии действительно соответствует той, которая наблюдалась в эксперименте. Это означает, что электронный пучок не оказывает на наноэмульсию значительного влияния.

По словам ученых, предложенный ими метод может стать одним из наиболее эффективных инструментов для непосредственного наблюдения за взаимодействием нанокапелек, везикул и других нанообъектов, в том числе и биологических.

Активное развитие различных модификаций просвечивающей электронной микроскопии позволяет исследовать динамику наносистем, в том числе в трех измерениях. Например, недавно, с помощью такого метода удалось изучить динамику фотовозбужденных золотых наночастиц. Если же нужно исследовать не динамику нанокапель или биологических нанообъектов (например, вирусов), то обычно используются не жидкостные ячейки, а криоэлектронные методы. Для этого в просвечивающий электронный микроскоп помещаются образцы, предварительно замороженные в тонком слое льда.

Александр Дубов