Ученые лаборатории многомасштабного математического моделирования Уральского федерального университета разработали матмодель, с помощью которой выяснили, как происходит процесс кристаллизации в «сложных» жидкостях. Закономерности роста кристаллов они рассчитали для инсулина, бета-лактоглобулина и лизоцима (по этим препаратам есть проверенные экспериментальные данные).
Описание теории и полученные данные ученые опубликовали в Journal of Applied Physics. Работу поддержал РНФ. «Наша работа посвящена теории двухстадийного зарождения и роста кристаллов в метастабильной жидкости. Этот механизм заключается в том, что образование кристаллических зародышей происходит в плотных жидких кластерах, взвешенных в растворе. Эти кластеры содержат более высокую концентрацию и вязкость раствора, что приводит к более низкому поверхностному барьеру свободной энергии и более быстрому пути фазового перехода.
Иными словами, сначала в жидкости образуются капельки с более плотной жидкой структурой и внутри этих капелек происходит первоначальное зарождение и рост кристалликов. На первой стадии кристаллики растут по одному закону. Затем, на второй стадии, когда они покидают область более плотной жидкости, у них меняется закон роста. И дальше они эволюционируют по новым законам», — поясняет процесс кристаллизации «сложных» жидкостей руководитель лаборатории, соавтор работы Дмитрий Александров.
По словам ученого, раньше — по классической теории — при описании процессов подразумевалось, что кристаллизация идет в один этап. Однако последние 10-15 лет появляются работы, которые подтверждают, что процесс кристаллизации в некоторых жидкостях более сложный и происходит в два этапа, с разной скоростью.
«Двухступенчатый механизм нуклеации имеет место при кристаллизации различных белков, низкомолекулярных органических и неорганических соединений, включая биоминералы и коллоиды. Мы рассчитали закономерности роста для инсулина, бета-лактоглобулина и лизоцима», — говорит соавтор исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории Евгения Маковеева.
Расчеты физиков помогут, к примеру, создавать лекарства с заданными свойствами. Как поясняют ученые, теперь можно предсказывать, как будут затвердевать жидкости, каких размеров будут кристаллы, что в конечном счете влияет на свойства продукта. Усложнив модель, можно будет вычислить и такие факторы, как охлаждение жидкости и добавление растворенных примесей, растворение мелких частиц и удаление кристаллов продукта, добавляют исследователи.
«Двухстадийный механизм зародышеобразования и роста кристаллов является широко распространенным явлением и имеет место в различных процессах кристаллизации от метастабильных и неравновесных жидкостей, от неорганических и коллоидных до органических материалов, включая биоминералы и небольшие молекулы в живых организмах», — заключает Евгения Маковеева.