Ученые объяснили, как ведут себя пузырьки в крови
Исследователи из МФТИ и Египта провели фундаментальное аналитическое исследование, направленное на изучение эволюции микрокавитационных пузырьков в тройных гибридных наножидкостях, находящихся вблизи упругих твердых тел. Пример такой жидкости — человеческая кровь. Ученым удалось показать, что радиус пузырьков в тройных гибридных наножидкостях заметно меньше, чем в гибридных, мононаножидкостях и чистой крови, а повышение концентрации наночастиц уменьшает интенсивность кавитации. Это открывает перспективы для медицинских технологий, например, для доставки лекарств с точной дозировкой.
Работа опубликована в Results in Engineering. Еще с конца XX века ученые интересуются феноменом кавитации — образования и последующего схлопывания пузырьков в жидкости, сопровождающегося высвобождением энергии. Особенно важным оказалось это явление в микромасштабе — микрокавитации. Развитие нанотехнологий, в частности наножидкостей (жидкостей с включенными в них наночастицами), позволило расширить область применения кавитации: от улучшенного теплообмена в промышленных установках до точечной доставки лекарств в медицине.
Сначала изучались так называемые моножидкости — растворы, содержащие один тип наночастиц. Затем появились гибридные наножидкости (две различных нанофазы), и, наконец, тройные гибридные наножидкости — наиболее сложные, но и наиболее эффективные по термофизическим свойствам. Эти жидкости содержат три типа наночастиц размером до 100 нм.
В настоящем исследовании ученые поставили перед собой амбициозную цель: построить теоретическую модель и провести математическое исследование микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях у поверхности упругого тела, учитывая такие параметры, как вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность и поверхностное натяжение. Это модель движения человеческой крови с тремя типа диспергированных в ней наночастиц: из золота, серебра и углеродных нанотрубок.
В основе новой модели лежит модифицированное уравнение Келлера-Миксиса, адаптированное для учета эффекта оболочки у упругого тела. Решение производилось с использованием модифицированного метода Плессе-Цвика. Авторы исследовали различные концентрации наночастиц, их формы и взаимодействия, используя вычислительные средства символьной математики.
Ученым удалось показать, что радиус пузырьков в тройных гибридных наножидкостях заметно меньше, чем в гибридных, мононаножидкостях и чистой крови, а повышение концентрации наночастиц уменьшает интенсивность кавитации.
В работе было впервые представлено аналитическое решение уравнений микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях у упругой поверхности с учетом реальных термофизических свойств. Полученные решения позволяют прогнозировать поведение пузырьков с высокой точностью, что ранее удавалось только численно. Оказалось, что эластичность стенки играет двойственную роль: увеличение модуля сдвига усиливает кавитацию, а увеличение объемного модуля ее подавляет. Изменение физико-термических параметров влияет на интенсивность микрокавитации: чем выше перегрев, тем активнее рост пузырька.
Абу-Наб Ахмед Камал Ибрагим, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, рассказал: «Наше исследование демонстрирует, как фундаментальные физико-математические модели могут дать ответы на прикладные вопросы медицины, экологии и промышленности. Мы надеемся, что предложенная нами модель найдет широкое применение в диагностике и терапии, в том числе в минимально инвазивных методах. В отличие от прежних моделей, рассматривающих либо численно, либо с упрощениями только одно- или двухкомпонентные жидкости, в новой модели впервые учитывается комбинация из трех различных наночастиц, реалистичное поведение вблизи упругих тел с оболочкой, аналитическое решение вместо численных аппроксимаций и влияние поверхностного натяжения на кавитацию. В ближайшем будущем мы планируем исследовать влияние физических, химических и термических свойств на проблему гидродинамики микропузырьков в обобщенной ньютоновской жидкости со смесью наночастиц между двух- и многофазным турбулентным потоком».
На основе полученной аналитической модели можно изучать агрегацию наночастиц, влияние переменного давления и температуры, использование других комбинаций наночастиц и разработку жидкостей для конкретных применений — от медицинских до промышленных. Расстояние от центра пузырька до стенки, начальный радиус и параметры переноса — все это интегрально включено в модель, что позволяет прогнозировать реальные физические процессы с высокой точностью.
Исследование открывает путь к разработке жидкостей с контролируемыми свойствами, биомедицинских технологий доставки препаратов с точной дозировкой, систем очистки и дегазации на основе микрокавитации, проектированию микромеханизмов и протезов.
Следующими шагами в исследованиях станут расширение модели на неньютоновские жидкости и турбулентные многокомпонентные потоки, учет тепломассопереноса, фазовых переходов и агрегации наночастиц, экспериментальная проверка модели.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В эпоху искусственного интеллекта и стремительного развития технологий знание языка становится инструментальной компетенцией, а умение работать с учетом культурного контекста — стратегической. В День филолога, кандидат педагогических наук Екатерина Щавелева, заведующая кафедрой иностранных языков и коммуникативных технологий НИТУ МИСИС рассказывает, как гуманитарное образование приобретает новую ответственность и какое будущее у межкультурной коммуникации.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно