В МГУ предложили теорию, описывающую взаимодействие заряженных мембран

Ученые с физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова предложили теорию, описывающую взаимодействие заряженных полупроницаемых мембран — поверхностей, которые повсеместно встречаются в живых организмах (клеточные мембраны) и в синтетических системах для адресной доставки лекарств (липосомы, полиэлектролитные капсулы). Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Chemical Physics.

Поскольку многие мембраны (особенно те, что встречаются в живых организмах) заряжены, физики-теоретики особенно интересовались тем, как заряд мембран влияет на их электростатическое взаимодействие. Согласно результатам новой работы ученых МГУ, способность мембран частично задерживать одни типы ионов и пропускать другие приводит к целой группе качественно новых физических эффектов. Например, вблизи заряженных мембран может образоваться облако ионов с зарядом того же знака.

Новая теория позволяет описать с помощью простых аналитических формул распределение ионов вблизи мембран, а также рассчитать электростатический потенциал, определяющий свойства такой системы. Мембраны ведут себя подобно воображаемым непроницаемым поверхностям, заряд которых может сильно, вплоть до знака, отличаться от заряда самой мембраны. Заряд таких имитирующих мембраны непроницаемых поверхностей был назван исследователями эффективным зарядом мембран. Именно он приводит к ряду интересных эффектов и определяет, как две мембраны будут взаимодействовать электростатически.

В частности, теория предсказывает, что вблизи отрицательно заряженной мембраны могут аккумулироваться анионы. Кроме того, меняя заряд мембран, можно управлять количеством ионов в водной прослойке. Например, в случае отрицательно заряженных мембран, прослойка будет интенсивно «закачивать» из раствора соли катионы. Если же знак заряда мембраны изменить на противоположный, то катионы будут из этой прослойки выталкиваться.

По словам авторов, результаты их работы могут сыграть значительную роль в дальнейших исследованиях ионных равновесий вблизи полупроницаемых поверхностей, а также при проектировании новых молекулярных «контейнеров» для доставки химических соединений, в том числе лекарств. Отдельной сферой применения может стать дизайн микро- и нанофлюидных каналов — миниатюрных устройств, позволяющих управлять течением жидкостей.