Научное сообщество сделало важный шаг в понимании необычного поведения сложных жидкостей. Исследователи раскрыли механизм, позволяющий специально созданной жидкости самостоятельно, без какого-либо внешнего управления, находить путь к выходу в лабиринте. Это открытие, основанное на взаимодействии поверхностно-активных веществ, открывает новые перспективы для медицины и микрофлюидики.
Как выяснила международная группа ученых, ключ к «интеллектуальному» поведению жидкости лежит в создании градиента поверхностного натяжения. Комбинация мыла (экзогенного поверхностно-активного вещества) и естественных поверхностно-активных компонентов молока формирует в лабиринте неоднородное поле сопротивления. Это поле действует как невидимый проводник, мягко подталкивая поток к маршруту с наименьшим сопротивлением, который и является верным путем.
Это достижение стало логическим продолжением предыдущих работ, в которых были созданы так называемые «метажидкости» с настраиваемыми свойствами. Однако именно способность автономно решать пространственные задачи, подобные лабиринту, вывела исследования на принципиально новый уровень, демонстрирующий сложное поведение, имитирующее принятие решений.
От учебного пособия к научному прорыву
Любопытно, что первоначально эксперимент с лабиринтом задумывался как наглядная демонстрация для студентов, призванная иллюстрировать сложность динамики жидкостей. Однако удивительные результаты превратили его в полноценный научный проект и даже в экспонат галереи Американского физического общества, где он продолжает удивлять публику. Видеозаписи, на которых жидкость последовательно отвергает тупики, выглядят почти магически.
«Мы начали этот эксперимент, потому что нам было сложно на словах объяснить коллегам некоторые тонкие эффекты, связанные с преодолением сопротивления в жидкостях», — пояснил руководитель исследования, профессор механики жидкостей Паоло Луццатто-Фегиз. Ученый, специализирующийся на моделировании экстремальных сил сопротивления, отметил, что команде удалось не только подтвердить гипотезу, но и создать точную математическую модель наблюдаемого феномена.
Секрет в синергии поверхностно-активных веществ
Чтобы разгадать загадку, почему жидкость не растекается хаотично, а целенаправленно движется, ученые детально изучили роль поверхностного натяжения. Это сила, заставляющая жидкость минимизировать площадь своей поверхности, благодаря которой формируются капли, а некоторые насекомые могут ходить по воде.
В эксперименте использовалась смесь чернил, мыла и молока. Мыло, как активный агент, снижает поверхностное натяжение и инициирует движение. Однако, как выяснилось, решающую роль играет молоко. Содержащиеся в нем естественные поверхностно-активные вещества (эндогенные) взаимодействуют с мылом (экзогенным), создавая в лабиринте изменяющийся «ландшафт сопротивления».
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
«Два типа поверхностно-активных веществ в итоге работают в тандеме», — подчеркивает Луццатто-Фегиз. В узких тупиках создается сильное отталкивание, заставляющее жидкость отступать. Напротив, на широком корректном пути к выходу сопротивление минимально. Таким образом, жидкость не «выбирает» путь осознанно, а физически следует по пути наименьшего сопротивления, который система формирует сама для себя в реальном времени. «Это означает, что добавленное вещество мгновенно «считывает» геометрию лабиринта», — заключает ученый.
От лабиринта к легким: практическое значение открытия
Авторы работы отмечают, что их исследование развивает известный в физике эффект Марангони (движение жидкости из-за градиента поверхностного натяжения), но применяет его в новом, не изученном ранее контексте. Обнаруженный механизм — это принципиально новое следствие, которое может найти применение в самых разных областях.
Наиболее перспективным направлением ученые видят биомедицину. Понимание того, как управлять транспортом жидкостей в сложных разветвленных сетях, может революционизировать методы доставки лекарств, особенно в такие органы, как легкие, чья структура напоминает лабиринт. Это открывает путь к созданию более эффективных и целевых терапевтических стратегий, а также к усовершенствованию микрофлюидных устройств для лабораторной диагностики.
Исследование под названием «Взаимодействие экзогенного и эндогенного поверхностно-активного вещества приводит к гетерогенному распространению в сложных разветвленных сетях» было опубликовано в авторитетном журнале Physical Review Letters.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Ученые разгадали тайну «умной» жидкости, способной без посторонней помощи пройти лабиринт, говорится в новом исследовании.