Ученые обнаружили пределы стирания информации при смешивании вязких жидкостей

В вязких жидкостях, таких как мед, где турбулентность отсутствует, настоящее смешивание представляет сложность, поскольку требует сочетания внешнего перемешивания и молекулярного шума. Автор: MPI-DS, LMP

В турбулентных жидкостях смешивание компонентов происходит легко. Однако в более вязких жидкостях, таких как те, что заключены в клеточных компартментах, взаимное смешивание частиц и молекул представляет гораздо большую сложность. Поскольку время также играет роль в таких системах, медленное смешивание за счет молекулярного движения обычно недостаточно, и поэтому требуются эффективные стратегии перемешивания для поддержания функциональности.

В отделе физики живого вещества Института Макса Планка ученые исследовали универсальные физические принципы, лежащие в основе такой динамики смешивания. Они идентифицировали протоколы, которые позволяют оптимально смешивать систему, когда ограничивающими факторами являются энергетические затраты или движение жидкости. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Мы обнаружили, что наиболее эффективные стратегии перемешивания имеют универсальную структуру и симметричны во времени, — говорит Лука Коккони, первый автор исследования. — Эти оптимальные протоколы раскрывают фундаментальный предел того, насколько эффективно информация — например, о идентичности и положении частиц — может быть стерта в таких системах».

«Мы смогли получить явные результаты без привлечения симуляций, — объясняет Андрей Вилфан, последний автор исследования. — Это примечательно, поскольку такие задачи оптимизации часто не решаются аналитически».

В целом, исследование углубляет понимание динамики смешивания как в клеточных, так и в микрофлюидных системах. В то же время оно предоставляет теоретическую основу для разработки эффективных стратегий смешивания в микроскопической инженерии.

Больше информации: Luca Cocconi et al, Information-Optimal Mixing at Low Reynolds Number, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/cl9m-cmhb