Злиття органічних нанокапель вперше зняли на відео

Хіміки вперше змогли записати злиття двох органічних нанокапель на відео. Такий експеримент вчені провели за допомогою просвічувальної електронної мікроскопії з рідинним осередком. Динаміку злиття крапель вчені підтвердили за допомогою комп'ютерного моделювання. Результати дослідження представлені в статті, опублікованій в.

Якщо у двофазну систему, що складається з води і органічної олії, помістити амфіфільні молекули, в яких одна частина є гідрофобною, а інша частина - гідрофільною, то вони будуть вибудовуватися на міжфазному кордоні так, щоб гідрофільна частина була спрямована у воду, а гідрофобна - в масло. Такі молекули дозволяють отримувати з несмішуваної системи вода-олія складні емульсії, які містять безліч бульбашок масла у воді. При певних складах і концентраціях молекул можна отримувати і краплі з подвійною оболонкою, у яких зовні і всередині знаходиться вода, а між двома шарами амфіфільних молекул розташований тонкий шар олії. Властивості таких емульсій сильно залежать від розміру крапель, тому динаміка їх освіти і взаємодії становить для вчених великий інтерес. Але якщо за емульсією з бульбашок мікронного розміру можна спостерігати в оптичний мікроскоп, то у випадку з нанопузирками методів спостереження за їх взаємодією в реальному часі до теперішнього часу запропоновано не було.

Група хіміків з США, Італії та Нідерландів під керівництвом Натана Джаннескі (Nathan C. Gianneschi) з Каліфорнійського Університету в Сан-Дієго вперше змогла записати динаміку злиття двошарових органічних нанопузирків в реальному часі за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа. Для цього вони використовували спеціальну рідинну комірку, в яку можна помістити досліджувану емульсію без необхідності заморожувати її. Віконця такої комірки, крізь яку проходить електронний пучок, складаються з нітриду кремнію товщиною близько 30 нанометрів. Подібний метод вже використовували для вивчення динаміки більш великих об'єктів, але в даній роботі вперше вдалося використовувати його для дослідження дифузійного руху, взаємодії і можливого злиття крапель розміром в кілька десятків нанометрів.

Запропонована конфігурація електронної мікроскопії, по-перше, дозволяє оцінити структуру краплі і показати, що це дійсно двошарові бульбашки, і всередині них, як і зовні, знаходиться водний розчин, а самі вони складаються з подвійної мембрани. По-друге, за допомогою неї можна простежити за дифузійним рухом таких частинок і їх взаємодією.

Виявилося, що при можливому зіткненні один з одним нанокапельки емульсії частіше відштовхуються один від одного, але в деяких випадках вони зливаються, утворюючи краплі більшого розміру. Тому якщо спочатку всередину комірки поміщалася емульсія з краплями діаметром близько 20 нанометрів, то в процесі експерименту приблизно за дві хвилини розмір крапель виростав до ста нанометрів.

Одне з природних питань, що виникають при аналізі отриманих даних, - чи не впливає електронний пучок, за допомогою якого проводиться аналіз, на рухливість крапель. Для того, щоб перевірити це, результати експерименту хіміки порівняли з даними комп'ютерного моделювання подібних систем. Моделювання підтвердило, що динаміка крапель з відомою структурою при злитті дійсно відповідає тій, яка спостерігалася в експерименті. Це означає, що електронний пучок не чинить на наноемульсію значного впливу.

За словами вчених, запропонований ними метод може стати одним з найбільш ефективних інструментів для безпосереднього спостереження за взаємодією нанокапелек, везикул та інших нанооб'єктів, в тому числі і біологічних.

Активний розвиток різних модифікацій просвічуючої електронної мікроскопії дозволяє дослідити динаміку наносистем, у тому числі в трьох вимірах. Наприклад, нещодавно, за допомогою такого методу вдалося вивчити динаміку фотовізолених золотих наночастинок. Якщо ж потрібно дослідити не динаміку нанокапель або біологічних нанооб'єктів (наприклад, вірусів), то зазвичай використовуються не рідинні комірки, а кріоелектронні методи. Для цього в електронний мікроскоп, що просвічує, поміщаються зразки, попередньо заморожені в тонкому шарі льоду.