Цивилизация
Ученые с физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова предложили теорию, описывающую взаимодействие заряженных полупроницаемых мембран — поверхностей, которые повсеместно встречаются в живых организмах (клеточные мембраны) и в синтетических системах для адресной доставки лекарств (липосомы, полиэлектролитные капсулы). Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.
Поскольку многие мембраны (особенно те, что встречаются в живых организмах) заряжены, физики-теоретики особенно интересовались тем, как именно заряд мембран влияет на их электростатическое взаимодействие. Согласно результатам новой работы ученых МГУ, способность мембран частично задерживать одни типы ионов и пропускать другие приводит к целой группе качественно новых физических эффектов. Например, вблизи заряженных мембран может образоваться облако ионов с зарядом того же знака.
«Мы исследовали модельные мембраны — тонкие заряженные поверхности, которые могут избирательно пропускать одни ионы и задерживать другие. Такой эффект может наблюдаться, например, в случае полиэлектролитных капсул, если отрицательно заряженные частицы (анионы) или макромолекулы больше по размеру, чем положительные (катионы), и не могут проникать через поры мембраны. Уже давно установлено, что в случае одной мембраны, отделяющей раствор соли от чистой воды, возникает разность электростатических потенциалов и давлений между двумя жидкостями. Этот эффект известен как равновесие Доннана. В новой работе мы впервые затронули вопрос об электростатическом взаимодействии двух таких мембран через прослойку воды, в которую могут проникать только ионы одного знака, а также о течении воды в этой системе под действием приложенного электрического поля», — комментирует автор статьи, профессор физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доктор физико-математических наук Ольга Виноградова.
Новая теория позволяет описать с помощью простых аналитических формул распределение ионов вблизи мембран, а также рассчитать электростатический потенциал, определяющий свойства такой системы. Мембраны ведут себя подобно воображаемым непроницаемым поверхностям, заряд которых может сильно, вплоть до знака, отличаться от заряда самой мембраны. Заряд таких имитирующих мембраны непроницаемых поверхностей был назван исследователями эффективным зарядом мембран. Именно он приводит к ряду интересных эффектов и определяет, как две мембраны будут взаимодействовать электростатически. В частности, теория предсказывает, что вблизи отрицательно заряженной мембраны могут аккумулироваться анионы. Кроме того, меняя заряд мембран, можно управлять количеством ионов в водной прослойке. Например, в случае отрицательно заряженных мембран, прослойка будет интенсивно «закачивать» из раствора соли катионы. Если же знак заряда мембраны изменить на противоположный, то катионы будут из этой прослойки выталкиваться.
«Кроме того, если к такой системе приложить внешнее электрическое поле, то вода начнет двигаться. Это явление называется электроосмотическим течением, и ранее считалось, что оно характеризуется лишь зарядом стенок, вязкостью жидкости и величиной напряженности электрического поля. В новой работе физики наглядно продемонстрировали, что полупроницаемость мембран может в корне изменить электроосмотическое течение жидкости, так как в этом случае именно эффективный, а не реальный заряд мембраны определяет направление и скорость течения воды», — отметила Ольга Виноградова.
По словам авторов, результаты их работы могут сыграть значительную роль в дальнейших исследованиях ионных равновесий вблизи полупроницаемых поверхностей, а также при проектировании новых молекулярных «контейнеров» для доставки химических соединений, в том числе лекарств. Отдельной сферой применения может стать дизайн микро- и нанофлюидных каналов — миниатюрных устройств, позволяющих управлять течением жидкостей.
