Разные частицы образуют одинаковые геометрические узоры в ограниченном пространстве

Исследователи проводили эксперименты с плавающими магнитами, шариками подшипников и мыльными пузырями. Автор: P. D. S. de Lima et al

Согласно новому исследованию, такие разные частицы, как мыльные пузыри и шарики подшипников, могут быть заставлены выстраиваться абсолютно одинаковым образом. Это открытие может привести к созданию совершенно новых материалов, включая перспективные для биомедицинского применения.

Международное исследование с участием профессора Университета Аберистуита Саймона Кокса показывает, как разнородные частицы самоорганизуются в идентичные геометрические узоры при ограничении пространства. Работа опубликована в журнале Physical Review E.

Это открытие может помочь ученым создавать передовые материалы для медицинского применения, включая системы «умной» доставки лекарств и целевые терапии. Оно также может предложить ценные идеи для тканевой инженерии, где понимание того, как биологические клетки располагаются в тесных пространствах, крайне важно для разработки эффективных каркасов и регенеративных методов лечения.

Прорыв был достигнут с помощью простой математической модели, которая балансирует две противодействующие силы — насколько сильно частицы отталкиваются друг от друга и насколько тесно они ограничены. Настраивая эти параметры, ученые смогли предсказать и воспроизвести одинаковые структуры в ряде материалов.

Чтобы проверить свою теорию, команда исследователей из Великобритании, Бразилии и Ирландии провела эксперименты с плавающими магнитами, шариками подшипников и мыльными пузырями. Примечательно, что, несмотря на различия, все частицы выстраивались в одинаковые формы при помещении в тщательно спроектированные контейнеры.

Профессор Саймон Кокс. Автор: Университет Аберистуита

Профессор Саймон Кокс из математического факультета Университета Аберистуита заявил: «Поразительно, что такие различные дискретные объекты, как мыльные пузыри и магнитные частицы, можно заставить вести себя одинаково, просто регулируя степень их ограничения. Это яркое напоминание о том, что природа часто следует универсальным правилам, даже когда составляющие выглядят совершенно по-разному.

Было привилегией работать с этой международной командой ученых, адаптируя наши компьютерные модели структуры материалов для подтверждения универсальности узоров, наблюдаемых в экспериментах.

Понимание того, как частицы самоорганизуются в ограниченном пространстве, ценно для проектирования новых материалов с заданными свойствами, например, в биомедицинской инженерии, где это может помочь в разработке таких методов лечения, как целевая терапия и «умные» или капсулы с медленным высвобождением. Это также может принести пользу промышленности, помогая в упаковке и транспортировке сыпучих материалов, таких как порошки, зерна или гранулы».

Работа проводилась под руководством доктора Пауло Дугласа Лимы из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти в Бразилии. В коллаборации также участвовали ученые из Тринити-колледжа в Дублине и Технологического университета Дублина.

Больше информации: P. D. S. de Lima et al, Self-assembled clusters of mutually repelling particles in confinement, Physical Review E (2025). DOI: 10.1103/1wcz-hhw6. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.19772

Источник: Университет Аберистуита