Левітація крапель рідини - не просто забава фізиків, а й гарна підмога в біохімічних дослідженнях.
Неодмінний атрибут будь-якої хімічної лабораторії - це скляний посуд. Різні колби, пробірки та інші апарати, часто дуже складної і навіть химерної форми. Якщо ми подивимося на те, як лабораторії зображують в кіно, то неодмінно побачимо, як головний або не дуже головний герой обов'язково змішує в колбах розчини, обов'язково різного кольору і обов'язково у великих кількостях. Напевно, тому що робота з мікролітрами безбарвних рідин і мікрограмами сипучих порошків виглядати на екрані буде зовсім не так ефектно. Тут же яскраві фарби, дим, вируючі рідини - ну точно, справжні хіміки!
Однак насправді все не так ефектно, зате набагато цікавіше. І велика частина сучасної науки робиться в масштабах тих самих крапель і одиниць маси і обсягу з приставками міллі, мікро і далі за списком. Благо чутливість аналітичних приладів часом вражає уяву.
Але тут з'являється інша проблема - коли речовини занадто мало, то будь-яка взаємодія з навколишніми предметами може помітно змінити її властивості. Наприклад, частина молекул речовини може адсорбуватися на поверхні тих же пробірок, в результаті концентрація в розчині буде іншою або властивості речовини будуть відрізнятися. Такі ефекти особливо важливі при роботі з чутливими об'єктами на кшталт біомолекул. Той же фермент, витягнутий з живої клітини і поміщений в пробірку, може поводитися в ній трохи по-іншому.
Одна з «паличок-виручалочок» в таких ситуаціях - це незвичайний і «магічний» фізичний ефект, який називається акустична левітація. Виглядає він справді чарівно - крапельки рідини або невеликі тверді тіла в буквальному сенсі висять у повітрі, ніби утримувані невидимою силою. Правда, нічого магічного в ньому немає - ефект левітації виникає через різницю тиску повітря в певних областях, яку в свою чергу створює стояча акустична хвиля. Стаціонарні області з високим тиском утримують об'єкт, що знаходиться в області з низьким тиском. В інтернеті є навіть інструкції, як у домашніх умовах зібрати з відносно недорогих деталей такий пристрій. Але повернемося до хімії.
Подібним пристроям пророкували майбутнє, наприклад, у фармакологічній індустрії, де вкрай важливі маніпуляції з чутливими сполуками, проте на ділі поки що у такого методу більше труднощів, ніж реальної користі. Тим не менш, час від часу з'являються цікаві повідомлення про застосування акустичної левітації в реальних хімічних експериментах. Ось, наприклад, дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту вивчили дію препарату для фотодинамічної терапії раку, змоделювавши хімічні процеси в левитуючій краплі рідини.
Суть фотодинамічної терапії полягає в тому, що ракові клітини насичуються речовиною, яка потім при дії на неї світлового випромінювання певної частоти сприяє утворенню хімічно активних речовин. Вони, своєю чергою, вступають у хімічну реакцію з клітинами пухлини, окисляючи або руйнуючи їх якимось іншим чином. Такий вид терапії успішно застосовується, але деякі деталі протікаючих при цьому хімічному процесів були не настільки ясні.
Левитуюча крапля ж являє собою ідеальний хімічний реактор, в якому немає нічого зайвого, і в якому можна розглянути об'єкт дослідження в буквальному сенсі під лупою.
У левитуючу краплю води дослідники додали сполуки, що імітують клітинну стінку. Молекули таких речовин, як правило, гідрофобні і прагнуть зібратися на поверхні рідини - вода ніби виштовхує ці речовини. У разі краплі вони зберуться на її поверхні, утворюючи щось на зразок клітинної оболонки. Потім у таку спрощену до мінімуму модель клітини хіміки помістили сам препарат для фотодинамічної терапії.
Тепер, якщо на краплю посвітити певним світлом, препарат почне окисляти молекули, що зібралися на поверхні краплі, імітуючи тим самим руйнування мембрани хворої клітини. Виявилося, що процес окислення не йде до кінця - тобто ці молекули могли б окислитися ще більше, але замість цього вони втрачають свою гідрофобність і йдуть з поверхні краплі, як би ховаючись від окислення всередині краплі.
Можна подумати, що це погано, і навпаки, було б добре, щоб клітинна стінка хворих клітин окислялася якомога більше. Однак насправді гідрофільні, що стали гідрофільними не до кінця окислені молекули, йдучи в розчин, руйнують тим самим клітинну мембрану, що в кінцевому підсумку прискорює загибель хворої клітини.
Примітно ще й те, що дослідники сконструювали установку для експерименту не сказати, що з підручних засобів, але дуже близько до цього. Акустичний левітатор був зібраний за тією самою інструкцією з інтернету, а в якості джерела світла використовувалася звичайна лазерна указка.
За матеріалами Angewandte Chemie