Ученые разгадали тайну «умной» жидкости, способной без посторонней помощи пройти лабиринт, говорится в новом исследовании.
Команда исследователей обнаружила, что сочетание поверхностно-активных веществ в мыле и молоке создает градиент сопротивления, направляя жидкость по правильному пути. Это открытие может способствовать улучшению транспортировки жидкостей в сложных системах, таких как здоровье легких и доставка лекарств.
В прошлом исследовании «умная» жидкость, разработанная гарвардскими учеными, демонстрировала целый ряд свойств, включая настраиваемую упругость, регулируемые оптические свойства, переменную вязкость и даже, казалось бы, волшебную способность переходить от ньютоновской к неньютоновской жидкости.
Недавно созданная «метажидкость» впервые продемонстрировала способность решать лабиринт без постороннего вмешательства.
Демонстрация «умной жидкости» начиналась как инструмент для обучения
Изначально созданная для демонстрации общей сложности жидкостных систем, «умная жидкость», решающая лабиринты, в итоге стала экспонатом галереи движения жидкостей Американского физического общества, где она постоянно вызывает восхищение и недоумение у наблюдателей. На видео, выпущенном исследовательской группой, показано, как жидкость избегает неправильных путей, демонстрируя при этом удивительную способность «выбирать» правильную дорогу без каких-либо предварительных знаний о лабиринте или постороннего вмешательства.
«Мы придумали этот эксперимент, потому что нам было трудно убедить людей в том, что определенные эффекты имеют место для решения проблемы снижения сопротивления», — сказал Паоло Луццатто-Фегиз, доцент кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), в заявлении, объявляющем о решении команды.
Эксперт по механике жидкостей, который возглавлял исследования, связанные с моделированием потоков и изучением сопротивления, то есть экстремальных сил сопротивления, действующих на твердые объекты при движении через жидкости, Луццатто-Фегиз говорит, что его команда смогла взломать код того, как «умная жидкость» действует с «интеллектом».
«У нас была гипотеза о том, как это работает», — объясняет профессор. «А в этой работе фактически разработана математическая модель этого явления».
Смесь решает лабиринт благодаря силе поверхностно-активных веществ
Чтобы понять, как «умная» жидкость может выбирать свой путь, а не распределяться более равномерно, как можно было бы ожидать, команда изучила динамику поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение определяется как тенденция жидкости сжиматься до минимально возможной площади поверхности в состоянии покоя. Именно благодаря поверхностному натяжению такие насекомые, как водомерки, могут ходить по поверхности воды, не погружаясь в воду, а капли воды сохраняют свою форму.
Поверхностное натяжение можно также наблюдать, наполнив чашку водой чуть больше ее ободка. Если сделать это аккуратно, поверхностное натяжение позволит воде вспучиться на поверхности чуть выше линии ободка, не переливаясь через края.
Исследовательская группа, в которую наряду с Луццатто-Фегизом входили также профессор инженерии UCSB Фредерик Жибу и сотрудники Принстонского университета, Манчестерского университета в Великобритании и Реннского университета во Франции, провела эксперимент с чернилами, мылом и молоком. Мыло является поверхностно-активным веществом, которое снижает поверхностное натяжение вокруг более плотных чернил и инициирует движение смеси.
Тем не менее, одна эта добавка не объяснила способность этой, казалось бы, умной жидкости выбирать свой путь для решения лабиринта. По мнению исследователей, волшебным ингредиентом жидкости является вторжение молока, в котором содержатся поверхностно-активные вещества.
«Дополнительное поверхностно-активное вещество (в молоке) и уже существующее (в мыле) в итоге работают вместе», — говорит Луццатто-Фегиз.
В опубликованной статье команда описывает механику «умной» жидкости и то, как сочетание поверхностно-активных веществ дает ей возможность решать лабиринт. Например, они отмечают, что «эндогенное» поверхностно-активное вещество, уже присутствующее в молоке, образует «ландшафт переменного сопротивления», который отталкивает смесь мыла и чернил, когда она проходит через лабиринт.
Например, когда смесь сталкивается с тупиками и небольшими пространствами, где отталкивание значительно сильнее, сопротивление заставляет ее избегать этого пути. И наоборот, когда жидкость сталкивается с маршрутом с наибольшей площадью поверхности, то есть с маршрутом к выходу, отталкивание слабее. Такой градиент сопротивления приводит к созданию интеллектуальной жидкости, которая может эффективно выбирать свой путь для решения лабиринта.
«Это означает, что добавленное поверхностно-активное вещество мгновенно узнает схему лабиринта», — объясняет Луццатто-Фегиз.
Авторы исследования в заключение отмечают, что их выводы основаны на предыдущих исследованиях движения, вызванного градиентом поверхностного натяжения, называемого эффектом Марангони. Однако команда впервые применила этот принцип для разгадки тайны «умной» жидкости, способной решать лабиринты.
По словам авторов, этот недавно обнаруженный эффект является «новым следствием», которое еще не было изучено. Команда считает, что их работа может предложить новые решения для приложений и процессов, связанных с «транспортом, управляемым сурфактантом, в сложных сетях, таких как дыхательные пути легких». Они также считают, что их результаты «могут вдохновить на усовершенствование стратегий доставки лекарств или транспортировки жидкостей в сложных системах».
Исследование «Взаимодействие экзогенного и эндогенного поверхностно-активного вещества приводит к гетерогенному распространению в сложных разветвленных сетях» было опубликовано в Physical Review Letters.
