Филаменты и их конфигурации влияют на подтекание полимеров. Такой вывод сделали немецкие ученые по результатам проведенных изысканий.
Когда прочный при обычных условиях материал вдруг становится мягким и рыхлым, мы обычно подозреваем, что он был подвержен разрушающему воздействию. Однако это далеко не всегда так, особенно если дело касается сложных жидкостей и биологических клеток. Наблюдая микроскопические структурные блоки — филаменты — биополимерных сетей, ученые из Исследовательского центра Юлиха (Германия) и Института AMOLF Фонда фундаментальных исследований материалов (Нидерланды), показали, что возможная причина размягчения таких материалов — переход от запутанных нитей-спагетти в вытянутые слои дугообразных филаментов, которые скользят друг относительно друга. Это открытие позволяет объяснить подтекание как биологических, так и антропогенных филаментов и могло бы поспособствовать, в частности, поиску возобновляемых заменителей полимеров из нефтепродуктов.
В наших клетках, которые содержат биополимерные нити, активный поток можно наблюдать благодаря протеинам флагеллярного мотора — молекулярного мотора живой клетки, выполняющего химическую и механическую работу, связанную с вращательным движением протеинов. Поскольку биополимерные филаменты не являются полностью гибкими и полностью жесткими, как стержень, их обычно называют полугибкими полимерами. Вязкость растворов полугибких полимеров резко уменьшается при высоких скоростях сдвига — мера градиента скорости в жидкости. Такой эффект называется сдвиговым разжижением. Поведение потока кетчупа наиболее ярко демонстрирует данное физическое явление.
Совместная работа исследовательских групп под руководством профессоров Павлика Леттинга, Юлих, и Гизье Коэндэринка, AMOLF, привела к интересным результатам: ученым удалось проанализировать полную трехмерную форму филамент системы, находящейся в потоке. Они обнаружили, что волокна имеют неправильную конфигурацию и неразрывно переплетены друг с другом в состоянии покоя, и образуют шпилько-подобные структуры, но полностью отделяются друг от друга в потоке, что позволяет им далее свободно скользить друг относительно друга, приводя в результате к критическому сдвиговому разжижению растворов полугибких полимеров.
Основной инструмент исследователя микроструктур — микроскоп (фото носит характер иллюстрации, источник: https://altair.ru/category/mikroskopy)
Ученые поставили перед собой задачу изучить крошечные филаменты биополимерных сетей, находящихся в мышечных клетках, во время их движения в потоке. Для этой цели они обозначили отдельные нити флуоресцентным красителем, и, используя вращающееся в противоположных направлениях устройство, наблюдали процесс под конфокальным микроскопом.
По словам профессора Института сложных систем Павлика Леттинга, в промышленности, гибкие полимеры широко используются в настоящее время, однако с ростом цен на нефть в промышленности все активнее ведутся поиски альтернативных вариантов. Некоторое природное сырье, например, целлюлоза и амилоиды, относительно жесткое. Знание поведения таких систем будет способствовать их эффективной обработке и энергосбережению. С помощью этой информации в настоящее время можно использовать восходящий подход к разработке широкого спектра продуктов.
Профессор Института AMOLF Гизье Коэндэринк также отмечает важность результатов, которые помогают понять определенные биологические процессы, такие как цитоплазматический поток, имеющий место во многих эмбрионах и в клетках больших растений. Актиновые филаменты или микротрубочки вместе с белками молекулярного мотора произвольно генерируют потоки, которые помогают в доставке органелл и питательных веществ. Результаты дают представление о микроструктурных изменениях, которые происходят во время движения. Кроме того, методология открывает возможности для изучения более сложных систем. Например, исследователи планируют изучить основные механизмы свертывания крови, что обусловлено взаимодействием между фибринами и красными кровяными тельцами.