Как ведут себя пузырьки в крови: ученые построили точную модель микрокавитации

Физики из МФТИ и Египта разработали аналитическую модель, описывающую поведение микрокавитационных пузырьков в тройных гибридных наножидкостях — особых жидкостях, включающих три вида наночастиц и находящихся вблизи упругих поверхностей. Примером такой среды служит человеческая кровь, обогащенная наноструктурами. Работа опубликована в журнале Results in Engineering.

Почему важно изучать микрокавитацию
Кавитация — это процесс образования, роста и схлопывания пузырьков в жидкости. На микромасштабе (в биологических и технологических системах) он сопровождается высвобождением энергии и играет ключевую роль в таких областях, как теплообмен, целенаправленная доставка лекарств, очистка жидкостей и медицинская диагностика.
Развитие нанотехнологий привело к появлению наножидкостей — жидких сред с взвешенными наночастицами. Сначала изучались простые растворы с одной нанофазой, затем — гибридные наножидкости с двумя типами наночастиц. Современные тройные гибридные наножидкости (с тремя видами наноструктур) обеспечивают ещё более высокую эффективность, но их поведение остаётся слабо изученным.

Авторы построили теоретическую модель микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях рядом с упругим телом. В качестве модельной среды рассматривалась жидкость, аналогичная крови, содержащая золотые и серебряные наночастицы, а также углеродные нанотрубки. Модель учитывает широкий набор параметров: вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, а также свойства упругой оболочки, вблизи которой развивается кавитация.
В математическую основу положено модифицированное уравнение Келлера-Миксиса, описывающее динамику пузырька, адаптированное с учетом упругой границы. Решение выполнено аналитически, с применением метода Плессе–Цвика и средств символьной математики.

Главные результаты

• Радиус кавитационных пузырьков в тройных наножидкостях оказался существенно меньше, чем в моно- и двухкомпонентных жидкостях, а также в обычной крови.
• Повышение концентрации наночастиц снижает интенсивность кавитации.
• Эластичность окружающей среды оказывает двойственное влияние: увеличение модуля сдвига усиливает кавитацию, тогда как рост объемного модуля, наоборот, подавляет её.
• Степень перегрева прямо влияет на рост пузырька — чем выше температура, тем интенсивнее процесс.

Ранее динамика таких систем описывалась только численно или с серьезными упрощениями. В этой работе впервые получены аналитические решения уравнений микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях с учетом реалистичных параметров. Это позволяет точно прогнозировать поведение пузырьков, включая влияние расстояния до стенки, начального радиуса, параметров переноса и взаимодействий между наночастицами.

Абу-Наб Ахмед Камал Ибрагим, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, поясняет:
«Наш подход позволяет использовать строгие физико-математические методы для решения прикладных задач в медицине, экологии и инженерии. Мы впервые рассмотрели аналитически поведение трехкомпонентной наножидкости вблизи упругих тел с оболочкой, включили эффект поверхностного натяжения и отказались от численных аппроксимаций. Надеемся, что наша модель найдет применение в диагностике и терапии, особенно в минимально инвазивных технологиях».

Что дальше

Предложенная модель открывает путь к созданию жидкостей с заранее заданными свойствами — как для биомедицины (например, точечная доставка лекарств), так и для технических задач (дегазация, очистка, охлаждение). Она также может быть расширена для описания:

• неньютоновских жидкостей,
• многокомпонентных и турбулентных потоков,
• процессов тепломассопереноса и фазовых переходов,
• агрегации наночастиц в динамических условиях.

Будущие исследования будут направлены на экспериментальную верификацию модели и её адаптацию к реальным задачам биофизики и микрофлюидики.

Источник: Динамика пузырьков в человеческой крови стала понятнее — За науку