Липидные мембраны не дали воде замерзнуть при -263 градусах Цельсия
Ученые создали систему, имитирующую положение воды в тесном окружении мембран внутри живых клеток. Оказалось, что запертая в таких условиях вода не замерзает при температуре жидкого гелия. Эксперимент удалось провести благодаря получению искусственных биомиметических полимеров, которые образуют сеть очень тонких каналов и сами не кристаллизуются при столь низких температурах, сообщают авторы в журнале Nature Nanotechnology.
Свойства веществ на поверхности и в толще могут различаться. Это известно как в случае специфических материалов, таких как топологические изоляторы, так и для распространенных веществ, таких как вода. В частности, ученые уже выяснили, что стесненные условия, такие как тонкие каналы, могут подавлять кристаллизацию воды, так как для образования льда молекулам необходимо выстроиться в шестиугольные структуры. Примером подобной ситуации являются молекулы воды внутри углеродных нанотрубок.
Изменение свойств воды при локализации на наномасштабе может играть ключевую роль в ряде физических, геологических, химических и биологических процессов. В частности, известно, что некоторые организмы способны выживать при отрицательных температурах. Считается, что этот феномен может частично объясняться пониженной температурой кристаллизации в стесненных внутриклеточных пространствах. В этом контексте важно исследование воды в условиях, приближенных к ситуации внутри живых клеток, где множество органелл окружены липидными мембранами. Для этого необходимо получить искусственную систему мембран с узкими пространствами между ними.
Ливия Сальвати Манни (Livia Salvati Manni) и ее коллеги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложили способ синтеза подходящих органических соединений — модифицированных моноацилглицеролов. Авторы работы исследовали свойства их смеси с водой при экстремально низких температурах. Необходимым требованием к синтетическим липидам в таком случае является наличие устойчивой мезофазы, то есть состояния вещества с промежуточными свойствами между твердыми телом и жидкостью.
В присутствии воды полученные липиды самоорганизовывались с образованием мембран подобно естественным жирам, так как противоположные концы их молекул обладают разными свойствами: с одной стороны они гидрофильны и стремятся прийти в контакт с водой, а с другой гидрофобны и избегают его. В результате формировалась однородная сеть пересекающихся каналов диаметром меньше нанометра.
Необычные свойства данной структуры начинали проявляться при заполнении водой и охлаждении, потому что сечения каналов было недостаточно для формирования льда, а сами липиды также не кристаллизовались. Авторы охлаждали систему жидким гелием до температуры в 10 кельвинов (-263 градуса Цельсия) и не обнаружили появления льда. Вместо этого вода переходила в необычное стеклоподобное состояние, что было подтверждено как измерениями, так и численным моделированием поведения молекул в таких условиях.
Авторы отмечают, что полученные результаты расширяют наше понимание взаимодействия двух основных компонентов жизни (воды и липидов) в экстремальных температурах и условиях локализации молекулярного масштаба. Авторы предполагают множество потенциальных применений полученных систем. В частности, в таких структурах можно запирать биомолекулы для исследования их поведения в ситуации подобной тесным внутренностям клеток. В таком случае можно не опасаться появления кристаллов льда, которые часто повреждают молекулы и не позволяют их детально исследовать.
Несмотря на пристальное изучение в течение долгого времени, до сих пор удается найти новые необычные фазы даже чистой воды. В частности, недавно ученые нашли стабильный лед низкой плотности, а также выделили три разновидности процесса замерзания. Поведению воды в стесненных условиях также посвящено немало работ. Например, исследователи выяснили, что выдавливание масла из пор может происходить четырьмя способами.
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.