Ученый из МФТИ и его коллеги из Египта провели фундаментальное аналитическое исследование, направленное на изучение эволюции микрокавитационных пузырьков в тройных гибридных наножидкостях, находящихся вблизи упругих твердых тел. Примером такой жидкости является человеческая кровь. Работа опубликована в Results in Engineering.

Еще с конца XX века ученые интересуются феноменом кавитации — образования и последующего схлопывания пузырьков в жидкости, сопровождающегося высвобождением энергии. Особенно важным оказалось это явление в микромасштабе — микрокавитации. Развитие нанотехнологий, в частности наножидкостей (жидкостей с включенными в них наночастицами), позволило расширить область применения кавитации: от улучшенного теплообмена в промышленных установках до точечной доставки лекарств в медицине. 

Сначала изучались так называемые моножидкости — растворы, содержащие один тип наночастиц. Затем появились гибридные наножидкости (две различных нанофазы), и, наконец, тройные гибридные наножидкости — наиболее сложные, но и наиболее эффективные по термофизическим свойствам. Эти жидкости содержат три типа наночастиц размером до 100 нм. 

В настоящем исследовании ученые поставили перед собой амбициозную цель: построить теоретическую модель и провести математическое исследование микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях у поверхности упругого тела, учитывая такие параметры, как вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность и поверхностное натяжение. Это модель движения человеческой крови с тремя типа диспергированных в ней наночастиц: из золота, серебра и углеродных нанотрубок.

В основе новой модели лежит модифицированное уравнение Келлера-Миксиса, адаптированное для учета эффекта оболочки у упругого тела. Решение производилось с использованием модифицированного метода Плессе-Цвика. Авторы исследовали различные концентрации наночастиц, их формы и взаимодействия, используя вычислительные средства символьной математики.

Ученым удалось показать, что радиус пузырьков в тройных гибридных наножидкостях заметно меньше, чем в гибридных, мононаножидкостях и чистой крови, а повышение концентрации наночастиц уменьшает интенсивность кавитации. 

В работе было впервые представлено аналитическое решение уравнений микрокавитации в тройных гибридных наножидкостях у упругой поверхности с учетом реальных термофизических свойств. Полученные решения позволяют прогнозировать поведение пузырьков с высокой точностью, что ранее удавалось только численно. Оказалось, что эластичность стенки играет двойственную роль: увеличение модуля сдвига усиливает кавитацию, а увеличение объемного модуля её подавляет. Изменение физико-термических параметров влияет на интенсивность микрокавитации: чем выше перегрев, тем активнее рост пузырька.

Абу-Наб Ахмед Камал Ибрагим, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, рассказал: «Наше исследование демонстрирует, как фундаментальные физико-математические модели могут дать ответы на прикладные вопросы медицины, экологии и промышленности. Мы надеемся, что предложенная нами модель найдет широкое применение в диагностике и терапии, в том числе в минимально инвазивных методах. В отличие от прежних моделей, рассматривающих либо численно, либо с упрощениями только одно- или двухкомпонентные жидкости, в новой модели впервые учитывается комбинация из трех различных наночастиц, реалистичное поведение вблизи упругих тел с оболочкой, аналитическое решение вместо численных аппроксимаций и влияние поверхностного натяжения на кавитацию. В ближайшем будущем мы планируем исследовать влияние физических, химических и термических свойств на проблему гидродинамики микропузырьков в обобщенной ньютоновской жидкости со смесью наночастиц между двух- и многофазным турбулентным потоком».

На основе полученной аналитической модели можно изучать агрегацию наночастиц, влияние переменного давления и температуры, использование других комбинаций наночастиц и разработку жидкостей для конкретных применений — от медицинских до промышленных. Расстояние от центра пузырька до стенки, начальный радиус и параметры переноса — все это интегрально включено в модель, что позволяет прогнозировать реальные физические процессы с высокой точностью.

Исследование открывает путь к разработке жидкостей с контролируемыми свойствами, биомедицинских технологий доставки препаратов с точной дозировкой, систем очистки и дегазации на основе микрокавитации, проектированию микромеханизмов и протезов.

Следующими шагами в исследованиях станут расширение модели на неньютоновские жидкости и турбулентные многокомпонентные потоки, учет тепломассопереноса, фазовых переходов и агрегации наночастиц, экспериментальная проверка модели. 

Научная статья: Ahmed K. Abu-Nab, Ali F. Abu-Bakr, Ehab S. Selima, Adel M. Morad. Microcavitation dynamics growth process in ternary-hybrid nanofluids near an elastic wall: An analytical investigation. Results in Engineering, Volume 25, March 2025, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123025003998