Вижте как "интелигентна" течност решава лабиринти без чужда помощ (видео)

Според ново изследване учени са разгадали тайната на "интелигентната" течност, която може да реши лабиринт без чужда помощ.

Екипът, автор на откритието, е установил, че комбинацията от повърхностноактивни вещества в сапуна и млякото създава градиент на съпротивление, който насочва течността по правилния път. Пробивът би могъл да подобри приложенията за пренос на течности в сложни системи, свързани със здравето на белите дробове и доставката на лекарства.

В предишни изследвания "интелигентна" течност, разработена от изследователи от Харвард, показа редица свойства, включително регулируема пружинираща сила, регулируеми оптични свойства, променлив вискозитет и дори привидно магическата способност да преминава между нютонова и ненютонова течност.

Новоразработеният "метафлуид" е първият, който демонстрира способността да решава лабиринт без намеса.

Демонстрацията на интелигентна течност започна като инструмент за обучение

Първоначално замислена да демонстрира цялостната сложност на флуидните системи, демонстрацията на интелигентната течност, решаваща лабиринт, в крайна сметка се превръща в експонат в Галерията на флуидното движение на Американското физическо общество, където непрекъснато очарова и озадачава наблюдателите. Видеоклип, публикуван от изследователския екип, показва как течността избягва неправилните пътища, като в същото време привидно проявява необикновената способност да "избира" правилната клетва без никакви предварителни познания за лабиринта или външна намеса.

"Измислихме този експеримент, защото ни беше трудно да убедим хората, че могат да се случват определени ефекти, способстващи за решаване на задачата с помощта на намаляването на съпротивлението", отбелязва Паоло Луцато-Фегиз (Paolo Luzzatto-Fegiz), доцент по машинно инженерство в Калифорнийския университет в Санта Барбара (UCSB), в изявление, в което обявява резултата на екипа.

Луцато-Фегиз заявява, че екипът му е успял да разгадае как интелигентната течност действа с "умисъл".

"Имахме хипотеза как става това", обяснява професорът. "И тази статия всъщност разработва математически модел на това явление."

Сместа решава лабиринт благодарение на силите на повърхностноактивните вещества

Повърхностното напрежение е напрежението на повърхностния филм на течност, който има тенденция да минимизира повърхностната площ. Причината е привличането на частиците в повърхностния слой от обема на течността.

Схема на силите, действащи върху молекулите в течността. Кредит: Wikimedia Commons 

Повърхностното напрежение е причината, поради която насекоми като водни кончета могат да се движат по повърхността на водата, без да потъват, или как капки вода могат да запазят формата си. Повърхностното напрежение може да се наблюдава и като се напълни чаша с вода точно до ръба ѝ. Внимателно изпълненото повърхностно напрежение ще позволи на водата да се издуе на повърхността малко над линията на ръба.

Повърхностното напрежение играе голяма роля в този експеримент с мастило върху мляко. Сапунът - повърхностно активно вещество или вещество, което намалява повърхностното напрежение - намалява локалното напрежение около мастилото, стимулирайки движението. Но според изчисленията на изследователите, наличието на повърхностноактивни вещества, които вече са в млякото, помага на сместа мастило/сапун да разреши лабиринта.

За да разбере как интелигентната течност може да избере своя път, вместо да се разлее равномерно, както може да се очаква, екипът разглежда динамиката на повърхностното напрежение.

Изследователският екип, който заедно с Луцато-Фегиз включва и професора по инженерство от UCSB Фредерик Гибу (Frederic Gibou) и сътрудници от Принстънския университет, Манчестърския университет във Великобритания и Университета в Рен във Франция, провежда експеримент, включващ мастило, сапун и мляко. Сапунът е повърхностноактивно вещество, което намалява повърхностното напрежение около по-плътното мастило и инициира движението на сместа.

Все пак само тази добавка не обяснява способността на тази привидно интелигентна течност да избира пътя си, за да реши лабиринт. Според изследователите магическата съставка на течността е намесата на млякото, което съдържа свои повърхностноактивни вещества.

"Добавеното повърхностноактивно вещество (в млякото) и вече съществуващото такова (в сапуна) в крайна сметка работят заедно", обяснява Луцато-Фегиз.

В публикувания си доклад екипът очертава механиката на интелигентната течност и как комбинираните повърхностноактивни вещества дават на течността способността да решава лабиринта. Например, те отбелязват, че "ендогенното" повърхностноактивно вещество, което вече се съдържа в млякото, образува "картина на различни съпротивления", която отблъсква сместа от сапун и мастило, когато преминава през лабиринта.

Кредит: McNair, et al, Physical Review Letters

Например, когато сместа се натъкне на задънени улици и малки пространства, където отблъскването е значително по-силно, съпротивлението я кара да избягва този път. Обратно, когато течността срещне маршрут с най-голяма площ, т.е. маршрут към изхода, отблъскването е по-слабо. Този тип градиент на съпротивлението води до интелигентна течност, която може ефективно да избира пътя си за решаване на лабиринт.

"Това означава, че добавеното повърхностноактивно вещество моментално се ориентира в разположението на лабиринта", обяснява Луцато-Фегиз.

Вдъхновение за усъвършенствани стратегии за няколко приложения за пренос на течности
Авторите на изследването завършват, отбелязвайки, че откритията им се основават на предишни изследвания на движението, предизвикано от градиент на повърхностното напрежение, наречен ефект на Марангони. Екипът обаче е първият, който прилага този принцип, за да разреши загадката на интелигентната течност, която може да реши лабиринт.

Справка: Exogenous–Endogenous Surfactant Interaction Yields Heterogeneous Spreading in Complex Branching Networks; Richard Mcnair, Fernando Temprano-Coleto, François J. Peaudecerf, Frédéric Gibou, Paolo Luzzatto-Fegiz, Oliver E. Jensen and Julien R. Landel, Phys. Rev. Lett. 134, 034001 – Published 23 January, 2025; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.034001 

Източник: Researchers solve a fluid mechanics mystery, Sonia Fernandez, University of California.

Още по темата

02/11/2020

Медицина

Лабораторно отгледани мини-бели дробове показват какво се случва при среща с коронавирус

28/05/2017

Земята

Мистерията на плаващите камъни в крайна сметка е решена от учените (видео)

18/06/2017

Математика

Има ли математика в бирата? (видео)

26/04/2015

Физика

Защо сапунът измива?