Брызгание струи воды в каплю жидкости может показаться сомнительным развлечением, но если все сделано в рамках серьзного эксперимента, то полученные результаты могут помочь ученым определить способы введения жидкостей, таких как вакцины, через кожу без использования игл.
Новое исследование инженеров Массачусетского технологического института и Университета Твенте в Нидерландах включает запуск небольших струй воды через множество видов капель, сотни раз, с использованием высокоскоростных камер для захвата каждого водяного удара. Видео команды напоминают знаменитые фотографии пули, пробивающей яблоко, сделанные при помощи стробоскопа — предтечи первых высокоскоростных камер.
Изображения Эдгертона запечатлели последовательные изображения пули, пробивающей яблоко, с взрывными деталями. Новые видеоролики команды Массачусетского технологического института о струе воды, выпущенной через каплю, демонстрируют удивительно схожую динамику удара. Поскольку капли в их экспериментах прозрачны, исследователи также смогли отследить, что происходит внутри капли при выстреле струи.
На основе своих экспериментов исследователи разработали модель, которая предсказывает, как струя жидкости будет воздействовать на каплю определенной вязкости и упругости. Поскольку человеческая кожа также является вязкоупругим материалом, они говорят, что модель может быть настроена так, чтобы предсказать, как жидкости могут проходить через кожу без использования игл.
Современные системы безыгольных инъекций используют различные средства для продвижения лекарственного средства с высокой скоростью через естественные поры кожи. Например, дочерняя компания Portal Instruments в Массачусетском технологическом институте, работает над конструкцией, в которой используется электромагнитный привод для выброса тонких струй лекарства через сопло со скоростью, достаточной для проникновения через кожу в подлежащую мышцу. В разрабатываемой конструкции используется маломощный лазер для нагрева микрожидкостного чипа, заполненного жидкостью. Подобно кипячению воды в чайнике, лазер создает пузырь в жидкости, который выталкивает жидкость через чип и через сопло с высокой скоростью. Тестирование системы предполагает использование особого состава на основе желатина, который сложно "откалибровать" под нужды ученых. В какой-то момент команда решила подробно изучить более простой сценарий закачки: струя воды, выпущенная в подвешенную каплю воды.
В новом исследовании ученые создала микрожидкостную систему на основе лазера и выпустила тонкие струи воды на единственную каплю воды, свисающую с вертикального шприца. Они варьировали вязкость каждой капли, добавляя определенные примеси, чтобы сделать его тонким, как вода, или густым, как мед. Затем они записывали каждый эксперимент с помощью высокоскоростных камер.
Воспроизводя видео со скоростью 50 000 кадров в секунду, исследователи смогли измерить скорость и размер струи жидкости, которая пробивала, а иногда и пронизывала подвеску. Эксперименты выявили интересные явления, например, случаи, когда струя втягивалась обратно в каплю из-за вязкоупругости последней. Иногда струя также генерировала пузырьки воздуха, проникая в каплю.
Исследователи стремились разработать модель для предсказания явлений, которые они наблюдали в лаборатории. Они черпали вдохновение из пробитых пулями яблок, которые выглядели похожими, по крайней мере внешне, на пробитые струей капли команды.
Они начали с простого уравнения для описания энергии пули, выпущенной через яблоко, адаптируя уравнение к жидкостному сценарию, например, путем включения эффекта поверхностного натяжения, которое не влияет на твердое тело, такое как яблоко, но основная сила, которая может удерживать жидкость от разрыва. Они работали в предположении, что, как и пуля, выпущенная струя будет сохранять цилиндрическую форму. Они обнаружили, что эта простая модель примерно соответствует динамике, которую они наблюдали в своих экспериментах.
Но видео ясно показали, что форма струи, когда она проникала через подвеску, была более сложной, чем у простого цилиндра. Итак, исследователи разработали вторую модель, основанную на известном уравнении физика лорда Рэлея, которое описывает, как форма полости изменяется при ее движении в жидкости. Они изменили уравнение, применив его к струе жидкости, движущейся через каплю жидкости, и обнаружили, что эта вторая модель дает более точное представление о том, что они наблюдали.
Команда планирует провести больше экспериментов, используя капли, свойства которых еще больше напоминают свойства кожи. Результаты этих экспериментов могут помочь точно настроить модели, чтобы выбрать оптимальные условия для инъекций наркотиков или даже нанесения татуировок без использования игл.
