ریاضیات اجازه می دهد تا تنظیمات سفارشی “عروسک های تودرتو” مایع – ScienceDaily


اگرچه نقاط مسحورکننده در یک چراغ گدازه کلاسیک جادویی به نظر می رسند ، اما اشکال رنگی در پاسخ به تغییرات ناشی از دما در چگالی و کشش سطح حرکت می کنند. این فرآیند که به عنوان جداسازی فاز مایع و مایع شناخته می شود ، برای بسیاری از عملکردهای سلولهای زنده بسیار مهم است و در تولید محصولاتی مانند داروها و مواد آرایشی نقش دارد.

اکنون محققان دانشگاه پرینستون بر چالش بزرگی در مطالعه و مهندسی جداسازی فاز غلبه کرده اند. سیستم آنها در مقاله ای منتشر شد که در 19 نوامبر در منتشر شد نامه های معاینه فیزیکی ، اجازه می دهد تا طراحی و کنترل مخلوط های پیچیده با چندین مرحله – به عنوان ساختارهای تو در تو ، یادآور عروسک های ماتریوشکا روسی ، که مورد توجه خاصی برای کاربردهایی مانند سنتز و تحویل داروها است.

محققان گفتند ، سیستم آنها راهی جدید برای مطالعه ، پیش بینی و مهندسی فعل و انفعالات بین چندین مایع از جمله ترتیب دادن مخلوط با هر تعداد فاز جدا شده در اختیار محققان قرار می دهد.

ترتیب مراحل بر اساس به حداقل رساندن انرژیهای سطحی است که انرژیهای متقابل بین مولکولها را در مرز فاز جذب می کند. این هدف به حداکثر رساندن سطح تماس بین دو فاز ولتاژ سطح پایین و به حداقل رساندن یا از بین بردن تماس بین فازهای ولتاژ سطح بالا است.

روش جدید با استفاده از ابزارهای ریاضی نظریه گراف ، ردیابی می کند که کدام فازها در یک مخلوط به هم متصل هستند. این روش می تواند آرایش نهایی فازها را در زمانی که انرژی سطح مشخص است ، در مخلوط پیش بینی کند و همچنین می تواند برای طراحی مجدد خصوصیات مخلوطی که ساختارهای مطلوب را ایجاد می کنند ، مورد استفاده قرار گیرد.

“اگر به ما بگویید که چه فازهایی دارید و تنش های سطحی چیست ، می توانیم نحوه چیدمان فازها را به شما بگوییم. ما می توانیم عکس این کار را انجام دهیم – اگر می دانید چطور می خواهید فازها مرتب شوند ، می توانیم به شما بگوییم که تنش های سطحی مورد نیاز است.” ، نویسنده ارشد ، آندری کوشمرل ، استادیار مهندسی مکانیک و فضا گفت.

کوزمرل گفت: “این روش بسیار رایج است و ما فکر می کنیم در بسیاری از زمینه ها ، از زیست شناسی سلول و داروها گرفته تا چاپ سه بعدی و فناوری جذب کربن ، تأثیرگذار خواهد بود.”

کار به عنوان گزارش مقدماتی توسط Milena Chakraverti-Wurtwein ، یک متمرکز کننده فیزیکی کلاس پرینستون در سال 2020 آغاز شد. او با Sheng Mao ، سپس یک دکترای فوق دکترا در گروه کابوس کار کرد ، و تحقیقات قبلی را در مورد بررسی مخلوط های جدا شده از فاز انجام داد. این کار یک چارچوب محاسباتی برای پیش بینی تعداد فازهای جدا شده و ترکیب آنها ایجاد کرده است ، اما چیدمان واقعی فازها را به طور سیستماتیک بررسی نمی کند.

Chakraverti-Wuerthwein شروع به رنگ آمیزی نمونه هایی از مخلوط های چند جز کرد ، که هر مرحله با رنگ دیگری ارائه شد. در یک لحظه ، او گفت که احساس می کند انگار “در یک دور می چرخد” ، اما سپس “یک قدم عقب رفت و به ویژگی متمایزی که یکی از این مورفولوژی ها را از دیگری متفاوت می کند ، فکر کرد.” من به این ایده رسیدم که این واقعاً لبه هایی است که فازها یکدیگر را لمس می کنند. این ایده ایده استفاده از گرافیک است ، “که در آن هر فاز با یک نقطه رنگی نشان داده می شود ، و خطوط بین نقاط نشان می دهد که کدام فازها با یکدیگر مخلوط می شوند.

کاسمرل گفت: “این جرقه ای بود که ما به آن نیاز داشتیم ، زیرا اگر بتوانید آن را نمودار کنید ، ذکر کردن تمام امکانات برای طرح بندی فازهای مختلف بسیار آسان است.”

Chakraverti-Wuerthwein نویسنده مقاله با مائو است که اکنون استادیار دانشگاه پکن چین است. همکار نویسنده هانتر گائودیو ، فارغ التحصیل سال 2020 از دانشگاه ویلانووا ، به ایجاد شبیه سازی برای ایجاد همه تنظیمات چهار فاز در تابستان سال 2019 به عنوان یک شرکت کننده در برنامه تجربه تحقیق تحقیقات پیچیده مواد برای دانشجویان ، کمک کرد.

اریک دوفرسن ، استاد مواد نرم و زنده می گوید: “معمولاً مایعات دوست دارند قطره های ساده درست کنند و نه بسیاری دیگر. با این تئوری ، می توان قطرات را به گونه ای برنامه ریزی کرد که خود به خود در زنجیرها ، شمع ها یا لایه های تو در تو نظیر عروسک های روسی قرار گیرد.” در ETH زوریخ در سوئیس ، که در مطالعه شرکت نکرده است. “این می تواند برای کنترل یک دنباله پیچیده از واکنش های شیمیایی ، همانطور که در سلول های زنده وجود دارد ، مفید باشد. چالش بعدی توسعه روش های آزمایشی برای تحقق فعل و انفعالات تعریف شده توسط تئوری است.”

Košmrlj بخشی از اعضای هیئت علمی در پرینستون است که در حال بررسی جنبه های مختلف و کاربردهای جداسازی فاز مایع از مایع هستند ، تمرکز اصلی یک گروه تحقیقاتی بین رشته ای که اخیراً توسط مرکز مواد پیچیده پرینستون با حمایت بنیاد ملی علوم راه اندازی شده است.

در یک محیط مایع ، قطرات کوچک با گذشت زمان به قطرات بزرگتر تبدیل می شوند ، این فرآیند به نام چیدن است. با این حال ، در سلولهای زنده و فرآیندهای صنعتی ، دستیابی به ساختارهایی با اندازه خاص مطلوب است. کومرلی گفت که در آینده کار تیم وی در نظر خواهد داشت که چگونه می توان ناهمواری را برای تولید مخلوطهایی با ساختارهای مقیاس کوچک هدفمند کنترل کرد. س openال باز دیگر این است که چگونه مخلوط های چند جز در سیستم های زنده تشکیل می شوند ، جایی که فرآیندهای بیولوژیکی فعال و فیزیک اساسی مواد از عوامل موثر هستند.

چاكراورتي-وورتوين ، كه در سال 2021 يك برنامه دكتري در زمينه بيوفيزيك را در دانشگاه شيكاگو آغاز خواهد كرد ، اظهار داشت كه ديدن اين واقعيت بسيار خوب است ، “اينكه اين هسته اساسي از نظر من در نهايت چيز ارزشمندي است كه می تواند به ابزاری با کاربرد بیشتر گسترش یابد “.

این کار توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده از طریق مرکز تحقیقات علوم و فناوری دانشگاه پرینستون و از طریق برنامه تجربه تحقیق در مورد مواد پیچیده مرکز پرینستون پشتیبانی شد.


منبع: khabar-erfan.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*