Взаимное отталкивание одноименных зарядов — один из физических законов, известный большинству людей со школы. Силы электростатического отталкивания оказывают фундаментальное влияние на свойства материи в наблюдаемой Вселенной. Тем интереснее для понимания оказываются случаи, в которых формально этот закон не действует. Конечно, речь идет не об «отмене» базовых свойств частиц и электромагнитного поля, а о специфических средах и агентах взаимодействия. Например, в этом году группа исследователей из Казанского университета и Технического университета Луизианы опубликовала результаты исследования, описывающие взаимное притягивание одноименно-заряженных коллоидных частиц под действием трудно наблюдаемых «прозрачных экзополимерных частиц». Руководитель научной группы, д.б.н., г.н.с. ИФМиБ КФУ Равиль Фахруллин рассказал «Хайтеку» о наблюдавшихся в исследовании процессах и возможном практическом применении открытия.
Суть наблюдавшихся в исследовании процессов
Как рассказал Равиль Фахруллин, некоторые особенности взаимодействия между коллоидными частицами, суспендированными в воде, до сих пор остаются недостаточно изученными. В водной среде на поверхности суспендированных частиц формируется двойной электрический слой, при этом одноименно-заряженные коллоидные частицы сохраняют стабильность и не агрегируют из-за электростатического отталкивания. Эта закономерность описана основополагающей теорией Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека (ДЛФО).
Однако имеются исключения из этого правила. В ряде экспериментальных работ показано, что одноименно-заряженные коллоидные частицы, суспендированные в воде, могут притягиваться, формируя достаточно стабильные агрегаты. Составляющие их частицы расположены на весьма значительных расстояниях (более 100 нм), что не укладывается в рамки классической теории ДЛФО. Ученые пытаются объяснить такие явления формированием ионных облаков в окрестностях коллоидных частиц, локальной структурой воды и т. д.
Детали исследования
«Используя темнопольную микроскопию для визуализации водных дисперсий анизотропных частиц галлуазита, мы обнаружили парадоксальную агрегацию между определенными отдельными стержнями галлуазита. Стабильная агрегация одноименно-заряженных частиц была обусловлена прозрачными экзополимерными частицами (transparent exopolymer particles), являющимся широко распространенными в природных водах полисахаридными микрогелями биологического происхождения», — рассказал Равиль Фахруллин.
В итоге научной группе удалось впервые доказать присутствие подобных частиц в стерильной деионизованной воде.
По словам руководителя исследования, формирование таких агрегатов показывает ранее неизвестную роль взвешенных в воде экзополимерных наноразмерных частиц органического вещества в дальнодействующей агрегации одноименно-заряженных коллоидных частиц.
Фактически результаты исследования дают ответ на вопрос «Почему одноименно заряженные коллоидные частицы в воде притягиваются на большом расстоянии между ними?».
«Установлено, что мостиком между частицами служит волокно полисахаридного наногеля, невидимое в жидкости и практически не определяемое с помощью существующих методов. Мы не утверждаем, что все описанные ранее другие механизмы неверны, но наша работа показывает, что ранее не учитывавшийся фактор существования прозрачных экзополимерных частиц в сверхчистой воде объясняет большую часть экспериментальных наблюдений этого явления», — резюмирует Равиль Фахруллин.
Практический аспект исследования
Сам факт наличия устойчивых следовых количеств прозрачных экзополимерных частиц в стерильной деионизованной воде предполагает их участие в других процессах химии и биологии – потенциально во всех процессах, проходящих в воде. Ученые в лабораторных исследованиях используют сверхчистую воду, полагая, что в ней не находится ничего, кроме, собственно, молекул воды и растворенных или суспендированных в ней изучаемых веществ.
Однако результаты описываемого исследования говорят о том, что в любой, даже самой чистой воде могут присутствовать биополимерные частицы, ни происхождение, ни концентрация, ни состав которых нельзя точно определить с использованием существующих на сегодня методов. Но эти биополимеры, скорее всего, принимают участие в любых химических и биологических процессах, проходящих в воде.
«Роль их влияния еще предстоит выяснить, но она может быть очень важной, как в прикладных областях (фильтрация воды, фармацевтика, санитарная медицина), так и в фундаментальной науке: во взаимодействии микроорганизмов, работе внеклеточных ферментов и даже вопросах происхождения жизни», — отмечает Равиль Фахруллин.
Среди потенциальных применений открытых свойств в промышленности можно выделить использование самого галлуазита. Он хорошо связывается с гелеобразными полимерами микробного происхождения, входящими в состав биопленок (внеклеточный матрикс). Это свойство можно использовать для подавления роста биопленок, то есть для направленной антимикробной обработки поверхностей.
Редакция «Хайтека» следит за развитием исследований в данном направлении. Следите за обновлениями на сайте!
Обложка: downloaded from Freepik