Уравнение, которое может объяснить силы отталкивающие воду от масла
Впервые ученые вывели уравнение, которое предусматривает гидрофобные взаимодействия между молекулами. Эти взаимодействия могут объяснить, почему масло и воду невозможно смешать, а также показывают как построены белки и что держит биологические мембраны вместе.
«Это настоящий прорыв, и кульминация многолетних исследований», говорит Яков Израелашвили, профессор химической инженерии из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре. «Уравнение должно стать для ученых инструментом для начала количественной оценки и прогнозирования молекулярных и поверхностных сил между органическими веществами и водой».
Используя светочувствительное поверхностно-активное вещество — молекулу, подобную по структуре к обычному мылу, и похожую на жиры и липиды, исследователи разработали инновационную технологию для измерения или изменения сил между слоями молекул в воде, используя пучки УФ-излучения или видимого света. В результате они получили общее уравнение, которое применяется к еще более сложным системам, таким как клеточная мембрана или белок.
«Нам повезло найти правильное объединение экспериментальных методов и теории», говорит Бред Чмелка, профессор химической инженерии и соавтор исследования. «Ключом нашего исследования было использование поверхностно-активных молекул, способных реагировать на свет, средства измерения этих тонких поверхностных сил и применение знаний о том, что именно мы искали».
Они использовали высокочувствительный инструмент — аппарат для измерения чувствительности поверхностных и гидрофобных сил на молекулярном уровне. Теперь эта методика является стандартной, в 1970-х годах ее начал исследовать Израелашвили вместе с коллегами. «В общей химии студенты учат Ван дер Ваальсовые силы — слабые силы, которые действуют между всеми молекулами. Эта теория была разработана больше 100 лет тому», объясняет Израелашвили.
«Согласно теории Ван дер Ваальса масло и вода должны смешиваться, а поверхностно-активные вещества не должны образовывать мембраны, что они и делают. Не было ни одной доказанной теории объяснения этих специфических гидрофобных взаимодействий. Такое поведение, как мы знаем, существует и имеет решающее значение в повседневной жизни».
Гидрофобное и гидрофильное взаимодействия являются центральными для дисциплин химии, физики и биологии, которые являются базовыми для современных разработок в производстве от моющих средств к фармацевтическим препаратам и новым биотехнологиям. Новое уравнение найдет применение в технологиях фильтрации воды, разделении мембран, биомедицинских исследованиях, методах генной терапии, производства биотоплива, пищевой химии.
Распространение вирусов и болезней в человеческом организме непосредственно связано с гидрофобными свойствами на клеточном уровне. Одной из проблем, связанных с химиотерапией для лечения рака, является возможность прямой доставки препарата к раковым клеткам, а не введение его во все тело.
Израелашвили и его коллеги предусмотрели свое открытие, проводя исследование, в котором они старались понять и найти пути лечения заболеваний.
«Клеточные мембраны являются сложными и дискретными структурами, разрешая передавать разнообразные сигналы к клетке, а также действуют как посредники при специфических взаимодействиях с бактериями и вирусами», говорит Жан Чин, доктор философии.
«Это исследование расширит наши знания о структуре мембраны и ее функции рядом с процессами развития микробных инфекций, в частности расширяя наше понимание роли гидрофобных сил в динамике мембран».
«Понимание того, как взаимодействуют вода и масло-подобные вещества имеет огромное значение для объяснения свойств и функций многих биологических и инженерных материалов», говорит Роберт Веллек.
«Все началось из самого низа. Я искал ключи к этому взаимодействию на протяжении 30 лет. Мы в восторге от результатов, но прошло много времени, прежде чем тщательно подобранными шагами мы достигли данного результата», говорит Израелашвили.
Если решение уравнений для Вас – настоящая проблема, то воспользуйтесь бесплатной программой на сайте loviotvet.ru. Программа-калькулятор покажет Вам не только правильный ответ, но и этапы решения задачи.