Физики математически объяснили, как мыло успешно прошло лабиринты

Недавно исследователи обнаружили, что поверхностно-активные вещества, они же ПАВ или сурфактанты, — молекулы, снижающие поверхностное натяжение жидкости и содержащиеся в мыле — могут естественным образом находить кратчайший путь через лабиринт.

Лабиринты — модельная система для сложных разветвленных сетей, таких как легкие. Понимание механизмов перемещения веществ в лабиринтах может быть ключом к пониманию того, как жидкости и лекарства перемещаются по этим сетям. Изучение механизмов транспорта вещества по таким структурам помогает медикам находить новые и более эффективные методы лечения, оптимизировать доставку лекарств.

Международная группа ученых описала математическую модель, объясняющую это явление. Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Когда ученые помещали окрашенное мыло в заполненный смесью молока и сливок лабиринт, природные поверхностно-активные вещества, уже присутствующие в смеси, взаимодействовали с сурфактантом в мыле. Обобществленная жидкость «знает» весь лабиринт, поэтому мыло «интуитивно» находит кратчайший путь к цели. Удивительно, что в процессе перемещения мыло совсем неглубоко проникает в тупиковые ветви лабиринта или не перемещается туда вообще.

Такое поведение ученые объясняют физическими процессами. Два типа поверхностно-активных веществ генерируют силы натяжения, направляющие мыло к выходу. Исследователи использовали передовые математические модели и симуляции, чтобы воспроизвести, как эти силы собирают информацию об общей форме и структуре лабиринта.

Они обнаружили и математически описали механизм, объясняющий перемещение жидкости по сложной разветвленной сети. Расчеты ученых и экспериментальные данные совпали с высокой точностью.

«Применение этого исследования на этом не заканчивается. Многие другие системы, такие как микрофлюидные устройства, которые перемещают микрообъемы химических веществ через сложные сети, могут извлечь выгоду из нашей модели. Используя ее, исследователи смогут создать более эффективные конструкции, неизбежно снижая затраты», — добавил доктор Ричард Макнаир (Richard Mcnair), первый автор исследования.

Исследовательская группа уже разработала предварительные модели, включающие распространение поверхностно-активных веществ в реалистичных геометриях масштаба человеческих легких.