نموذج جديد لتدفق الدم و السوائل الغريبة
مصر:إيهاب محمد زايد
نموذج جديد يمكنه أخيرًا التنبؤ بكيفية تدفق الدم والسوائل الغريبة الأخرى
يقترب الفيزيائيون خطوة واحدة من وضع نظرية رياضية كاملة للتنبؤ بكيفية تدفق الدم والسوائل الغريبة الأخرى. لقد حيرت هذه السلوكيات الغريبة الباحثين لعقود من الزمن.
ليس هذا ما قمنا بمحاولته، لكن الدم في الواقع يتشوه قليلًا عند دفعه، ومن الغريب أنه يتكاثف عند تطبيق قوة مفاجئة قوية – ويتحول من مادة رقيقة مائية إلى مادة أكثر لزوجة وتقريبًا صلبة.
مثال آخر (أكثر صحية) على ذلك هو الحيلة الكلاسيكية التي قد تتذكرها من العروض العلمية المدرسية: نشا الذرة الممزوج بالماء. إذا قمت بتحريكه ببطء، فلن يظهر أي شيء غير مرغوب فيه، لكن اضغط على حفنة من الخليط، وسيتجمد في كرة مطاطية. افتح يدك، وسوف تقطر مثل السائل مرة أخرى.
ما يحدث في الواقع هو مثال لسائل غير نيوتوني، وهو نوع من السوائل الذي يعصي قانون اللزوجة لنيوتن ويتميز بدلاً من ذلك بعلاقته الغريبة بين الإجهاد، والقوى المطبقة على السائل، والإجهاد، وكيف يتشوه استجابةً لذلك.
لكن هذا ليس الشيء الغريب الوحيد فيما يتعلق بالسوائل غير النيوتونية. كما أنها تظهر أيضًا حركة مائع فوضوية بشكل خاص تسمى الاضطراب المرن الذي يوجد فقط في هذه الموائع، وليس في الموائع النيوتونية المطيعة.
يؤدي الاضطراب، من أي نوع، إلى تحويل التدفق الصفحي المنظم إلى فوضى فوضوية ومتموجة، مما يجعل خلط السوائل أو ضخها أمرًا صعبًا في البيئات الصناعية – أو ركوب القارب على نهر وعر سريع التدفق.
يحدث هذا عادةً عند سرعات تدفق عالية، وعلى الرغم من أنها قد تكون ظاهرة مألوفة، إلا أن وصف الاضطراب بأشكاله المختلفة “يظل واحدًا من آخر المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء الكلاسيكية”، حسبما أعلن الباحثون الذين قاموا بهذه الدراسة الجديدة عن الاضطراب المرن.
أدرك الباحثون في التسعينيات أنه في المحاليل المائية التي تحتوي على بوليمرات – وهي سلاسل طويلة ومتكررة من الجزيئات – تسببت مرونة البوليمرات التي تتمدد وتنكمش في جعل التدفقات الصفائحية غير مستقرة.
وفي بداية القرن الحادي والعشرين، اكتشفوا الاضطراب المرن، وهو أكثر دراماتيكية، حيث ينشأ في تدفقات صفائحية بطيئة تكون عادةً سلسة.
يُعتقد أن الاضطراب المرن ينشأ في السوائل غير النيوتونية، والتي تتكون من جزيئات دقيقة للغاية، أو بوليمرات، أو خلايا مجهرية معلقة في السوائل المائية، من الطريقة التي تتفاعل بها هذه الجسيمات وتتحرك. وبدون وجود جزيئات في المحلول، تختفي هذه الظاهرة.
لقد اعتقد العلماء أن الاضطراب المرن كان مختلفًا تمامًا عن الاضطراب الكلاسيكي للسوائل النيوتونية، التي تتصرف بطريقة أكثر قابلية للتنبؤ بها. لكن قد يكون هناك قواسم مشتركة بين الظاهرتين أكثر مما كان يعتقد سابقًا، وفقًا للنموذج الجديد للفريق.
بقيادة ماركو روستي، مهندس الطيران الذي يدرس ديناميكيات الموائع في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في اليابان، قام الفريق بقياس سرعة تدفقات الموائع غير النيوتونية وحسب الفرق عند ثلاث نقاط، وليس النقطتين المعتادتين المستخدمتين للقياس والدراسة. الاضطراب الكلاسيكي.
اكتشفوا أن السوائل غير النيوتونية ذات الاضطراب المرن تظهر تقلبات متقطعة في السرعة عند سرعات التدفق البطيئة، مثلما تفعل السوائل النيوتونية عند التدفقات العالية، وهو اكتشاف ساعدهم في عمل تنبؤات إحصائية حول كيفية تصرف السوائل غير النيوتونية.
يشرح روستي: “تظهر نتائجنا أن الاضطراب المرن له انحلال عالمي للطاقة بموجب قانون القوى وسلوك متقطع غير معروف حتى الآن”. “هذه النتائج تسمح لنا بالنظر إلى مشكلة الاضطراب المرن من زاوية جديدة.”
لوحة من صورتين تصور تدفقات السوائل المضطربة.
تصور التدفقات المضطربة في اثنين من السوائل. (سينغ وآخرون، اتصالات الطبيعة، 2024)
تضيف الدراسة إلى الجهود البحثية الأخرى التي قطع فيها الفيزيائيون خطوات واسعة في وصف السوائل غير النيوتونية، والتي حيرت الباحثين بخصائصها الغريبة منذ ثلاثينيات القرن العشرين – عندما لم يكن لديهم الأدوات أو أجهزة الكمبيوتر لقياس ومحاكاة تدفقات السوائل مثلنا. تفعل اليوم.
في عام 2019، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) نموذجًا ثلاثي الأبعاد يمكنه وصف كيفية تحول معلقات الجسيمات متناهية الصغر، مثل خليط نشا الذرة، من سائل إلى مادة صلبة ثم عودتها مرة أخرى، في ظل ظروف مختلفة.
تعد التطبيقات الصناعية لمثل هذا النموذج مفيدة جدًا، مما يسمح للباحثين بالتنبؤ بسلوك الملاط وتحسينه أثناء تدفقه بين الأوعية في المنشآت الصناعية، على سبيل المثال.
ومن الممكن أن يكون للنموذج الجديد الذي طوره فريق روستي استخدامات عملية مماثلة.
يقول روستي: “باستخدام نظرية مثالية” – إذا كان هناك شيء من هذا القبيل – “يمكننا إجراء تنبؤات حول التدفق وتصميم الأجهزة التي يمكنها تغيير خلط السوائل”. “قد يكون هذا مفيدًا عند التعامل مع المحاليل البيولوجية،” مثل الدم المتبرع به والسائل الليمفاوي.
أو عندما يعبث البقية منا بالكاتشب والكاسترد ومعجون الأسنان – ثلاثة أمثلة ممتعة أخرى لأشياء غير ني السوائل الوتونية.
وقد نشرت الدراسة في مجلة Nature Communications.
