Skip to main content

Manufacturing Shock Interactions for Innovative Nanoscale Processes

Article Category

Article available in the folowing languages:

Zaawansowane modelowanie odkrywa tajemnice złożonych przepływów płynów

Użycie fal uderzeniowych może stanowić unikalną, nieinwazyjną metodę sterowania zachowaniem płynów, którą można wykorzystać w medycynie, na przykład do rozbijania kamieni nerkowych lub dostarczania leków.

Technologie przemysłowe

Zasady ruchu cieczy lub gazów, nazywane dynamiką płynów, mają wpływ na wiele aspektów codziennego życia. Ciała to laboratoria mechaniki płynów. Zjawiska takie są podstawą działania silników i turbin. Wpływają też na wzorce pogody. Mechanika płynów działa w różnych skalach, od mikroskopowych aerozoli przenoszących wirusy po zdarzenia kosmiczne, takie jak supernowe. Fale uderzeniowe to szczególne zjawisko opisywane przez mechanikę płynów, charakteryzujące się nagłymi zmianami temperatury i ciśnienia. Dobrze znany przykład to grom dźwiękowy wytwarzany przez samoloty poruszające się z prędkościami naddźwiękowymi. Za pomocą fal uderzeniowych można sterować zachowaniem płynów. Zespół finansowanego ze środków UE projektu NANOSHOCK zbadał, w jaki sposób fale uderzeniowe oddziałują na powierzchnie styku różnych materiałów. Nacisk położono na krople cieczy, zawierające szczególnie interesujące granice faz między powietrzem a cieczą, a zwłaszcza na ich rozpad wywołany uderzeniem. „Zrozumienie tego zjawiska może przyczynić się do opracowania nowych mikroskopowych metod dostarczania leków do pojedynczych komórek, polegających na podawaniu precyzyjnej dawki środka terapeutycznego przez błonę komórkową, której ciągłość została tymczasowo przerwana”, wyjaśnia Nikolaus Adams, główny badacz z Uniwersytetu Technicznego w Monachium, pełniącego rolę gospodarza projektu. Kluczowym osiągnięciem projektu NANOSHOCK jest środowisko ALPACA przeznaczone do przeprowadzania symulacji numerycznych. „ALPACA opiera się na 20 000 wierszy kodu i jest jednym z najbardziej zaawansowanych środowisk symulacyjnych umożliwiających wielkoskalowe symulacje laboratoryjne złożonych przepływów płynów”, twierdzi Stefan Adami, koordynator projektu. „Opracowaliśmy przełomowe metody numeryczne o bezprecedensowej precyzji i efektywności, tworząc wirtualne laboratorium fizyki przepływów”. ALPACA to oprogramowanie open source, które udostępniono społeczności naukowej. Cechuje się ono modułowością, można je więc dostosować i rozbudować, by obsługiwało dowolny model fizyki przepływów oparty na równaniach zachowania ciągłości. Dostępny jest także szereg narzędzi do obróbki i analizy danych.

Badanie rzeczywistych zagadnień fizycznych

Głównym celem projektu NANOSHOCK było lepsze zrozumienie oddziaływań między falami uderzeniowymi a granicami faz, czyli powierzchniami styku różnych płynów (np. oleju i wody) lub fazy ciekłej i gazowej tej samej substancji (np. wody i pary wodnej). Zachowanie takich granic międzyfazowych odgrywa istotną rolę w procesach chemicznych, także tych będących przedmiotem zainteresowania biomedycyny. Dzięki środowisku ALPACA badacze mogli bardzo szczegółowo zbadać wiele różnych oddziaływań między falą uderzeniową a granicą faz w różnych obszarach przestrzeni i różnych odcinkach czasu. Ponieważ procesy te obejmują struktury o mikrometrowej skali i zachodzą w czasie mierzonym w mikro- lub nanosekundach, przeprowadzanie tradycyjnych eksperymentów nie jest możliwe. „Odkryliśmy nieznany wcześniej mechanizm: uderzenie powoduje rozbicie wielowarstwowej kapsułki z otoczką olejową wypełnionej stanowiącą lek cieczą, która z kolei zawiera pęcherzyk gazu. W wyniku działania fali uderzeniowej gaz kształtuje mocno skupiony i osłonięty mikrostrumień wewnętrznego materiału, który pozwala dostarczyć niezwykle precyzyjnie odmierzoną ilość tego materiału przez substytut błony komórkowej. Zamierzamy lepiej zbadać ten mechanizm, szczególnie w kontekście ukierunkowanego dostarczania leków”, dodaje Adams. Prace te były możliwe dzięki zastosowaniu nowo opracowanych modeli numerycznych o wysokiej rozdzielczości opisujących dynamikę gazów i cieczy oraz tak zwanych poziomic reprezentujących granice faz. Symulacje przeprowadzono z użyciem techniki obliczeń równoległych, wykorzystując superkomputery oparte na setkach tysięcy procesorów.

Zwiększanie wydajności

Środowisko symulacyjne ALPACA umożliwia badanie podstawowych zjawisk fizycznych, optymalizowanie parametrów projektowych różnych rozwiązań oraz wspomaganie opracowywania nowych koncepcji. „Nasze modele można wykorzystać jako generatory danych, by ułatwić wykrywanie ukrytych mechanizmów fizycznych i powiązań zjawisk przepływowych”, mówi Adams. Zespół projektu nawiązał i nadal prowadzi współpracę z innymi grupami badawczymi. Obejmuje ona między innymi dostarczanie danych numerycznych na potrzeby eksperymentów dotyczących wytwarzania nanocząstek, a także udział w pracach nad zaawansowanymi narzędziami umożliwiającymi bardziej precyzyjne przewidywanie przepływu stopionego materiału w obróbce przyrostowej metali.

Słowa kluczowe

NANOSHOCK, dostarczanie leków, dynamika płynów, mechanika płynów, płyn, ciecze, gazy, fale uderzeniowe, krople, komórki, mikrometr, nanosekunda, symulacja

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania