Физики обнаружили фазовый переход в пленках внутри легких
Легочный сурфактант, покрывающий альвеолы, может изменять свою структуру при изменении кривизны поверхности. Происходящий при этом фазовый переход может объяснить механизм повышения устойчивости легких при дыхании, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Для повышения устойчивости легких во время дыхания специальные клетки на внутренней поверхности легочных альвеол выделяют из плазмы крови легочный сурфактант — смесь поверхностно-активных веществ, которая препятствует слипанию клеток и возникновению ателектаза. Утоньшение или разрывы в слое легочного сурфактанта в результате нарушения работы альвеол могут приводить к спадению легких, что опасно для жизни. Для объяснения механизмов работы легочных сурфактантов мономолекулярные слои таких веществ исследуют в лабораторных условиях. Обычно для таких анализов используются сурфактанты естественного или искусственного происхождения, которые наносят на плоские поверхности — считается, что кривизна альвеол достаточно маленькая и не может заметно влиять на взаимодействие молекул внутри пленки.
Амит Кумар Сахан (Amit Kumar Sachan) и Джозеф Засадзински (Joseph A. Zasadzinski) из Университета Миннесоты решили проверить, что на самом деле происходит с мономолекулярной пленкой из экзогенного легочного сурфактанта при увеличении кривизны поверхности до кривизны альвеол. Для этого ученые использовали легочный сурфактант Сурванта, полученный из легкого быка, который наносили на газовые пузыри различного размера. Для изучения структуры и динамики поверхности авторы работы использовали конфокальную флуоресцентную микроскопию.
Оказалось, что на поверхностях с небольшой кривизной (то есть плоских или почти плоских) сурфактант находится в состоянии, в котором сосуществуют две жидких фазы: основная односвязная среда с небольшими включениями второй фазы, существующих в виде доменов круглой формы. При увеличении кривизны поверхности (то есть уменьшения радиуса частицы, на которую происходит осаждение), структура пленки сильно перестраивается и происходит образование вытянутых линейных доменов. Для поверхностного натяжения всех межфазных границ порядка 45 миллиньютонов на метр, характерного для сурфактантов, такой переход происходит при радиусе кривизны около 100 микрон, то есть как раз порядка размера альвеолы легких.
Чтобы изучить динамические свойства образовавшейся структуры, авторы работы проанализировали изменения, которые происходят в пленке с течением времени или при изменении температуры. Оказалось, что повышение температуры от комнатной до температуры тела не приводит к структурным изменениям на поверхностях любой кривизны. При этом «старение» пленок с течением времени проходит на разных поверхностях по-разному. Так, на плоской поверхности структура полностью сохраняется, а на сферических поверхностях со временем происходит образование более анизотропных доменов за счет слияния нескольких круглых.
Ученые отмечают, что подобный фазовый переход не может быть объяснен в рамках существующей теории поведения жидких кристаллов с изотропными доменами. Вероятнее всего, к формированию фазы с линейными доменами приводит анизотропия энергии изгиба мономолекулярной пленки. При этом подобную структуру можно наблюдать не только в мономолекулярных слоях на искривленных поверхностях, но и в двухслойных везикулах, плавающих в растворе.
По словам авторов работы, обнаруженный эффект поможет объяснить поведение легочных альвеол во время их расширения, а также механизм повышения устойчивости легких при дыхании за счет легочного сурфактанта.
Стоит отметить, что в тонких упорядоченных пленках на искривленных поверхностях часто можно наблюдать образование необычных структур. Например, в жидкокристаллических холестерических фазы на искривленных поверхностях можно получать красивые хиральные структуры.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.