Как капля “решает” лабиринт: физика, химия и немного магии
В 2018 году группа исследователей опубликовала видео, которое вызывало вопросы: капля мыльного раствора, добавленная в заполненный молоком лабиринт, словно "знала", куда ей двигаться.
Вместо того чтобы бесцельно блуждать по коридорам, жидкость уверенно направлялась к выходу. С самого начала заподозрили, что дело в эффекте Марангони. Это физическое явление, при котором жидкость движется из-за градиентов поверхностного натяжения.
Проще говоря: когда в разных местах поверхности жидкости разное поверхностное натяжение, жидкость начинает течь от области с низким поверхностным натяжением к области с высоким.
Изначально можно было бы ожидать, что эффект Марангони просто заставит жидкость растекаться во все стороны одинаково. Однако исследователи обнаружили, что: наличие эндогенных ПАВ (уже присутствующих в жидкости) создает сложную картину градиентов поверхностного натяжения. Кроме того, из-за особой геометрии лабиринта (больший выход) создаются преимущественные пути для течения. В результате эффект Марангони "направляет" жидкость преимущественно к выходу
Но чтобы выяснить это, понадобилось большое и серьезное научное исследование. Давайте разберемся, что же происходит на самом деле.
В этом эксперименте участвуют два главных "героя":
- Основная жидкость — смесь молока с водой в равных пропорциях. Она заполняет все ходы лабиринта. На её поверхности уже присутствуют свои поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые учёные называют эндогенными, то есть "внутренними".
- Мыльный раствор — капля с высокой концентрацией "внешних" (экзогенных) ПАВ, которую добавляют на вход лабиринта.
Поверхностно-активные вещества — это молекулы-амфифилы, у которых одна сторона любит воду (гидрофильная), а другая — избегает её (гидрофобная). Из-за такого строения они стремятся расположиться на границе между водой и воздухом, образуя тонкий слой.
Когда ПАВ неравномерно распределены по поверхности жидкости, возникает интересный эффект: области с большей концентрацией ПАВ имеют меньшее поверхностное натяжение. Эта разница создает течение жидкости — эффект Марангони, названный в честь итальянского физика.
Когда мы добавляем каплю мыльного раствора в лабиринт, начинается сложный "танец" между внешними и внутренними ПАВ. Внешние ПАВ стремятся распространиться по поверхности, но их движение не случайно. Оно определяется:
- Геометрией лабиринта
- Взаимодействием с внутренними ПАВ
- Особенностями конструкции (например, выход из лабиринта шире остальных ходов)
Ключ к пониманию этого явления — асимметрия лабиринта. Выходное отверстие существенно больше остальных проходов, что создает особые условия для распространения ПАВ. Большая площадь выхода означает большее количество внутренних ПАВ в этой области. Это создает более сильный градиент концентрации вдоль правильного пути. Внешние ПАВ "чувствуют" этот градиент и движутся преимущественно в этом направлении.
От лабиринта к легким
Это исследование — не просто красивый физический эксперимент. Оно может иметь важное практическое применение в медицине, особенно в лечении легочных заболеваний.
Дело в том, что наши легкие — это сложная система разветвленных каналов, очень похожая на лабиринт. На поверхности этих каналов также присутствует естественный сурфактант (еще одно название ПАВ). Понимание того, как взаимодействуют естественные и искусственные ПАВ, может помочь в разработке более эффективных методов доставки лекарств в легкие.
Исследователи создали математическую модель, которая хорошо описывает наблюдаемое поведение. Эта модель может быть применена к более сложным системам, включая реальные легочные пути. В будущем это может привести к созданию новых методов лечения респираторных заболеваний.
Одним из самых интересных результатов исследования стало открытие того, что точное соотношение концентраций внешних и внутренних ПАВ не так важно, как считалось раньше. Система работает в широком диапазоне параметров, что делает её более надежной и применимой в реальных условиях.