Поищите микробы, плавающие рядом с красными кровяными тельцами.
Новые расчеты и эксперименты впервые моделируют, как сферические частицы, погруженные в липкую жидкость, перемещаются по гибкому резиновому листу; сравнимые условия обычны в человеческом теле, например, клетки крови, протекающие по капиллярам, или путешествия самодвижущихся микробов. (Хотя кровь не является особенно вязкой, в микроскопическом масштабе ее эффективная вязкость высока.)
Все эти частицы, оказывается, ловят волну.
В экспериментах жидкость обтекает движущуюся частицу. Этот поток, в свою очередь, давит на соседний лист, деформируя поверхность в синусоидальную волну с углублением и горбом. Струя жидкости в углубление и по горбу отталкивает частицу от листа. По мере того, как частица продолжает двигаться, она «скользит» по волне и набирает скорость, сообщили исследователи в Интернете 16 сентября в журнале Nature Physics..
Находка предлагает не только новое понимание биологических процессов, но и более щадящий метод измерения эластичности клеточных мембран и простой способ сортировки частиц по размеру. «Это простая идея, имеющая большое значение для биологии и инженерии», - говорит соавтор исследования Наоми Оппенгеймер, научный сотрудник Центра вычислительной биологии Института Флэтайрон в Нью-Йорке.
Расчет потока жидкости частиц и гибких поверхностей, погруженных в вязкие жидкости тела, невероятно сложен. Вязкие жидкости обладают странными свойствами: их молекулярный состав создает большое внутреннее трение и препятствует турбулентному течению. Инерция, обычно являющаяся фактором движения объектов через жидкость, поэтому не играет большой роли для объектов, движущихся через вязкую жидкость. Подводная лодка, курсирующая в морской воде, будет продолжать движение после того, как ее двигатели отключатся, в то время как та же самая субмарина почти сразу остановится в патоке.
Оппенгеймер, Бхаргав Раллабанди и Говард Стоун из Принстонского университета, а также Матан Ях Бен Цион из Нью-Йоркского университета обошли проблему прямого расчета расхода жидкости. Вместо того, чтобы пытаться идеально смоделировать сложную гидродинамику, исследователи сосредоточились в первую очередь на силах, действующих на частицу и поверхность. Этот подход дал относительно простое уравнение, включающее вязкость жидкости, жесткость и натяжение поверхности, а также размер и скорость частицы.
Исследователи проверили свою формулу в реальном эксперименте. Они подвесили тонкий резиновый лист в контейнере размером с аквариум, наполненном силиконовым маслом, которое примерно в 1100 раз вязче воды. Один за другим они бросали шарики размером с мрамор в масло рядом с листом и отслеживали результирующие движения по мере того, как шары тонули. Как и ожидалось, каждый мяч создавал волну на листе, которая, в свою очередь, толкала мяч дальше. По мере того, как он удалялся от листа, мяч испытывал меньшее трение, что ускоряло его спуск.
«И Бхаргав, и я - ученые-теоретики, так что это был наш первый эксперимент, - говорит Оппенгеймер. «Увидеть, как расчеты, которые мы сделали, впервые материализовались во время эксперимента, было удивительной сенсацией».
Большие шары летели дальше от листа. Таким образом, перемещение частиц по гибкой поверхности в вязкой жидкости может быть простым способом сортировки частиц по размеру, подобно автоматической машине для сортировки монет. Аналогично, чем менее жесткая поверхность, тем сильнее сила отталкивания, действующая на шарики. Этот эффект может помочь ученым измерить жесткость материала, такого как клеточная мембрана, без использования традиционных подходов, требующих потенциально повреждающих воздействий или тщательного контроля температуры.
Исследователи планируют моделировать более сложные сценарии, такие как движение нескольких мячей или нескольких гибких листов одновременно.