Stabilnost bioloških tekočin pod natezno obremenitvijo
Oznaka in naziv projekta
J1-4382 Stabilnost bioloških tekočin pod natezno obremenitvijo
J1-4382 Stability of biological liquids under tension
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Matej Kanduč
Sestava projektne skupine: Matej Kanduč, Fabio Staniscia, Horacio Andres Vargas Guzman
Vsebinski opis projekta
V številnih bioloških in tehnoloških okoljih se srečujemo z metastabilnimi tekočinami pod znatnimi negativnimi tlaki, na primer pri litotripsiji, sonoporaciji, mehanizmih katapultiranja praprotnih spor ter v rastlinah. Pri slednjih negativni tlak omogoča transport vode iz tal do listov. Vendar pa je voda pod natezno napetostjo dovzetna za kavitacijo – spontano nastajanje praznin in plinskih mehurčkov, ki se lahko razširijo in povzročijo usodno embolijo. Kako natančno rastline transportirajo vodo pod negativnim tlakom je ostajalo eno največjih nerešenih vprašanj biofizike. Izkazalo se je, da je čista voda sicer izjemno odporna na kavitacijo, vendar so za njen nastanek ključni preostali sestavni deli tovrstnih sistemov, zlasti ogljikovodiki. Ti so predstavljali najšibkejši člen v stabilnosti vodnih sistemov in določali mejo njihove natezne trdnosti.
V tem teoretično zasnovanem raziskovalnem projektu smo se lotili proučevanja tega slabo raziskanega področja vodnih sistemov mehke snovi pod natezno obremenitvijo. Osredotočili smo se na bistvene vidike stabilizacije sistemov z lipidi, za katere se je domnevalo, da igrajo ključno vlogo. Pri tem smo uporabili simulacije molekularne dinamike, podprte s teoretično analizo. Predhodno smo razvili simulacijsko metodo, ki se je izkazala za primerno za preučevanje kavitacije. V okviru raziskave smo naslovili več vprašanj, povezanih z različnimi tvorbami lipidov. Preučevali smo lipidne prevleke na različnih površinah in njihovo stabilnost proti kavitaciji pri negativnih tlakih. Poleg tega smo raziskali nastanek lipidno obdanih nanomehurčkov pod negativnim tlakom in analizirali njihovo obstojnost.
Rezultati so bili relevantni ne le za fiziko mehke snovi in botaniko, temveč tudi za številne druge discipline, kot so znanost o materialih, fluidika in strojništvo.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Neujemanje med eksperimenti in teorijo pri kavitaciji V začetni fazi smo se osredotočili na vprašanje, zakaj obstaja razkorak med teoretičnimi napovedmi in eksperimentalnimi opazovanji kavitacije v vodi. Teorija namreč kaže, da bi morala čista voda prenesti bistveno višje negativne tlake, kot jih dejansko izmerijo poskusi. Da bi raziskali ta problem, smo razvili model vode z vključeno prisotnostjo netopnih nečistoč. Simulacije in analize so pokazale, da lahko že najmanjša, nanometrsko velika kapljica organske snovi sproži kavitacijo. Še izraziteje se je to pokazalo v primeru ujetih mehurčkov, ki so služili kot izjemno učinkovita jedra za nastanek kavitacije. Na podlagi teh rezultatov smo pripravili znanstveni članek, v katerem smo osvetlili ključno vlogo sledovih nečistoč pri omejevanju natezne trdnosti vode.
2. Faza: Vloga amfifilnih molekul pri kavitaciji V drugi fazi smo se lotili vprašanja, kako amfifilne molekule – predvsem lipidi – vplivajo na stabilnost vodnih sistemov pod negativnim tlakom. S simulacijami molekularne dinamike smo pokazali, da se lipidi spontano adsorbirajo na hidrofobne površine. Posebej pomembno je bilo, da so lipidi učinkovito prekrivali tudi nanometrske jamice in s tem onemogočali nastanek ujetih plinskih jeder. Tako so lipidni monosloji igrali zaščitno vlogo pred kavitacijo: pod negativnim tlakom so bistveno zvišali stabilnost površin in preprečili pojav usodnih mehurčkov.