"General hydrophobic interaction potential for surfactant/lipid bilayers from direct force measurements between light-modulated bilayers". S. H. Donaldson Jr., C. T. Lee, B. F. Chmelka, J. N. Israelachvili. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 108, 15699 (2011).
Abstract: We establish and quantify correlations among the molecular structures, interaction forces, and physical processes associated with light-responsive self-assembled surfactant monolayers or bilayers at interfaces. Using the surface forces apparatus (SFA), the interaction forces between adsorbed monolayers and bilayers of an azobenzene-functionalized surfactant can be drastically and controllably altered by light-induced conversion of trans and cis molecular conformations. These reversible conformation changes affect significantly the shape of the molecules, especially in the hydrophobic region, which induces dramatic transformations of molecular packing in self-assembled structures, causing corresponding modulation of electrostatic double layer, steric hydration, and hydrophobic interactions. For bilayers, the isomerization from trans to cis exposes more hydrophobic groups, making the cis bilayers more hydrophobic, which lowers the activation energy barrier for (hemi)fusion. A quantitative and general model is derived for the interaction potential of charged bilayers that includes the electrostatic double-layer force of the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory, attractive hydrophobic interactions, and repulsive steric-hydration forces. The model quantitatively accounts for the elastic strains, deformations, lon-range forces, energy maxima, adhesion minima, as well as the instability (when it exists) as two bilayers breakthrough and (hemi)fuse. These results have several important implications, including quantitative and qualitative understanding of the hydrophobic interaction, which is furthermore shown to be a nonadditive interaction.
Resumen: Establecemos y cuantificamos correlaciones entre estructuras moleculares, fuerzas de interacción y procesos físicos asociados con monocapas o bicapas de tensoactivos fotosensibles autoensamblados en interfases. Usando el aparato de fuerzas superficiales (SFA), las fuerzas de interacción entre monocapas y bicapas adsorbidas, de tensoactivos funcionalizados con azobencenos, pueden ser alteradas drásticamente y de manera controlada por medio de una conversión inducida por luz de las conformaciones moleculares trans y cis. Estos cambios reversibles de conformación afectan significativamente la forma de las moléculas, especialmente en la región hidrofóbica, lo cual induce transformaciones dramáticas en el empaquetamiento molecular de estructuras autoensambladas, provocando la correspondiente modulación de bicapas electrostáticas, hidración estérica, e interacciones hidrofóbicas. Para las bicapas, la isomerización de trans a cis expone más grupos hidrofóbicos, haciendo de las bicapas cis aún más hidrofóbicas, lo cual disminuye la barrera de energía de activación para la (hemi)fusión. Un modelo cuantitativo y general se deduce para el potencial de interacción de bicapas cargadas, el cual incluye la fuerza electrostática de doble capa de la teoría de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek, interacciones hidrofóbicas de atracción y fuerzas repulsivas de hidración estérica. El modelo considera cuantitativamente las tensiones elásticas, las deformaciones, las fuerzas de largo alcance, los máximos de energía, los mínimos de adhesión, así como la inestabilidad (cuando ésta existe) de cuando dos bicapas se deshacen y se (hemi)fusionan. Estos resultados tienen varias implicaciones importantes, incluyendo el entendimiento cualitativo y cuantitativo de las interacciones hidrofóbicas, que además mostramos que no se tratan de interacciones aditivas.
