Накопленный при обучении в школе опыт подсказывает, что масло и вода не смешиваются. Тем не менее, оказывается, что они могут смешиваться, когда масло диспергируется в воду в виде мелких капель. Это странное обстоятельство долгое время беспокоило учёных, потому что ему нет объяснения.
Группа учёных EPFL и ICTP изучила этот вопрос посредством новой оптической технологии и обнаружила механизм, с помощью которого эти два нейтральных и несмешивающихся соединения могут образовывать коллоидный раствор - эмульсию.
Ответ кроется в распределении электрического заряда на границе раздела фаз.
Более ста лет химики задавались вопросом: как могут крошечные капельки масла существовать в воде без каких-либо стабилизирующих молекул?
«В конце концов, молекулы воды имеют настолько сильные и благоприятные взаимодействия друг с другом, что им не нравится включать в себя молекулы, которые не участвуют в этих взаимодействиях», - говорит профессор Сильви Рок, ведущий исследователь данной проблематики.
При простом перемешивании масло и вода быстро разделяться на две фазы. Тем не менее, при достаточном количестве энергии в виде ультразвука капли масла размером менее 1 микрона образуются в дистиллированной воде и продолжают существовать в течение нескольких недель или месяцев.
Любопытно, что в электрическом поле капли движутся к положительно заряженному электроду (катоду). Таким образом, смешивание нейтрального масла и нейтральной воды приводит к образованию отрицательно заряженных капель масла. Неудивительно, что источник этого неожиданного открытия активно обсуждается.
Команда учёных из Лаборатории фундаментальной биофотоники (ЛБФ) инженерной школы EPFL под руководством профессора Рок, в сотрудничестве с доктором Али Хассанали из Международного центра теоретической физики (ICTP), обнаружили источник отрицательного заряда, изучив как заряд, так и молекулярную структуру капель на границе раздела фаз масла и воды. Результаты их исследования опубликованы в Science.
Неправильные водородные связи
Фото: russbeer.ru
Оказывается, разгадка этого давнего ребуса лежит на границе раздела фаз капель масла и воды. Электрические заряды передаются от одной молекулы воды к другой с помощью взаимодействия, которое поддерживается водородными связями. Однако, когда молекулы воды находятся рядом с молекулами масла на поверхности капли, то больше не могут найти достаточно водных соседей для образование водородных связей. Вместо этого эти молекулы воды отдают свои избыточные электрические заряды молекулам масла на поверхности раздела фаз.
Это исследование показывает, что взаимодействие воды и масла происходит через так называемую неправильную водородную связь. Это водородная связь между маслом и водой достаточно слаба, но в состоянии стабилизировать каплю. Чтобы разгадать этот механизм, команда Рока использовала сверхбыструю оптическую технику. «Два ультракоротких лазерных импульса подавались на эмульсию капель масла и воды. При выполнении данной операции генерируются и рассеиваются новые фотоны на границе раздела капель. Эти фотоны имеют суммарную частоту двух входящих лазерных лучей и сообщают о колебательных связях на границе раздела фаз, то есть движение атомов внутри межфазных молекул. Это говорит нам о структуре и взаимодействиях между маслом и водой», - объясняет Рок.
В молекулярном масштабе граница раздела между каплями масла и воды имеет большое сходство с границами раздела, участвующими в сворачивании белков или формировании биологических мембран. Таким образом, эти данные о структуре границы раздела капель масла и воды не только удовлетворяют наше любопытство по поводу сложностей в вопросах смешивания воды, но также имеют значение для понимания взаимодействий в биологии, химии и биохимии.