لقد أظهر العلماء الروس كيف تتغير العلاقة بين اللزوجة والانتشار في محاليل السكر
تعد محاليل الكربوهيدرات أحد الأشياء المهمة بشكل أساسي للبحث، حيث أن الكربوهيدرات منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة وتشارك في عمل الخلايا الحية. تصف معاملات اللزوجة والانتشار نقل المادة في الوسائط السائلة المعقدة. يتم تحديد معاملات الانتشار في أغلب الأحيان من اللزوجة من خلال علاقة ستوكس-آينشتاين، وهي صيغة أساسية لفيزياء الموائع تم اشتقاقها للحالة البسيطة لحركة الجسيمات في وسط لزج. ولهذا السبب، يطرح السؤال حول مدى إمكانية تطبيق هذه الصيغة على المحاليل المركزة، حيث تتفاعل جزيئات المادة المذابة بالفعل مع بعضها البعض. لا تزال الحدود الدقيقة لتطبيق تركيز المحلول غير محددة بشكل جيد. “نحن أول من استكشف بشكل منهجي مجموعة واسعة من تركيزات محاليل السكر في محاكاة على المستوى الذري. وفي الوقت نفسه، قمنا في الوقت نفسه بحساب معاملات اللزوجة والانتشار الذاتي واختبرنا مباشرة قابلية تطبيق علاقة ستوكس-آينشتاين، مما جعل من الممكن تتبع كيفية انتهاكها وبأي تركيزات بالضبط،” قالت ماريا إيفانوفا، طالبة في السنة الثالثة تدرس في قسم الفيزياء الحاسوبية للمواد المكثفة والأنظمة الحية في جامعة كاليفورنيا. LPI MIPT. ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على إمكانية تطبيق علاقة ستوكس-أينشتاين على درجة الحرارة. لقد تم دراسة تأثير التركيز بشكل أقل بكثير. في الوقت نفسه، في العمل على السكروز، لاحظ المؤلفون أنه مع زيادة التركيز، ينخفض \u200b\u200bنصف القطر الهيدروديناميكي الفعال – وهي معلمة تميز حركة الجسيمات في السائل، مع مراعاة تأثير البيئة. في هذه الدراسة، قرر الفيزيائيون التحقق مما إذا كانت هذه خاصية عامة للكربوهيدرات، وليست حالة خاصة للسكروز. وللقيام بذلك، اختاروا ثلاثة جزيئات بأحجام مختلفة. أراد الفيزيائيون معرفة التركيزات التي يمكن أن ترتبط بها معاملات اللزوجة والانتشار الذاتي من خلال علاقة ستوكس-آينشتاين، وكذلك سبب انتهاك هذا الارتباط. للإجابة على هذه الأسئلة، أجرى العلماء النمذجة الجزيئية الحاسوبية للمحاليل المائية لثلاثة كربوهيدرات: الجلوكوز، والتريهالوز، والرافينوز. لقد تتبعوا كيف تتغير اللزوجة والانتشار والاقتران من خلال علاقة ستوكس-آينشتاين مع زيادة التركيز حتى قيم عالية جدًا – حوالي 60٪. تم نشر المقال في مجلة المحاكاة الجزيئية. “لقد اختبرنا النموذج من خلال المقارنة المباشرة مع البيانات التجريبية: كثافة المحلول واللزوجة ومعاملات الانتشار. تم إعادة إنتاج الكثافة بدقة شديدة – كان متوسط الخطأ أقل من 0.5٪ لجميع السكريات التي تمت دراستها. كما تطابقت اللزوجة جيدًا مع الاتجاهات التجريبية. بالنسبة للانتشار، كانت البيانات التجريبية متاحة فقط لمحاليل طرهالوز: هنا بالغت النمذجة في تقدير القيم قليلاً، لكن الاتجاه العام كان صحيحًا،” أوضح فلاديمير ديشينيا، الباحث المبتدئ في مركز العمليات الحسابية. الفيزياء في MIPT، وهو طالب دراسات عليا في السنة الثانية في قسم الفيزياء الحاسوبية للمادة المكثفة والأنظمة الحية في LPI MIPT. بشكل بديهي، كلما كان السائل أكثر لزوجة، كان انتشاره أبطأ، حيث يتم تثبيط حركة الجزيء. تنص علاقة ستوكس-أينشتاين على أنه في ظل ثبات درجة الحرارة وحجم الجسيمات، فإن العلاقة بين اللزوجة والانتشار يجب أن تكون ثابتة في ظل ظروف مختلفة. أظهرت نتائج المحاكاة أنه مع زيادة التركيز، تتوقف اللزوجة والانتشار عن التغير وفقا للصيغة الكلاسيكية. يُظهر النظام انخفاضًا منهجيًا في نصف القطر الهيدروديناميكي الفعال، مما يشير إلى الانحرافات عن السلوك الكلاسيكي. وهذا يعني أن حركة جزيئات السكر في المحاليل المركزة تكون أكثر تعقيدًا مما يوحي به النموذج البسيط للجسيم في سائل لزج. وكانت النتيجة غير المتوقعة لهذا العمل هي أن طبيعة الانحراف عن علاقة ستوكس-آينشتاين كانت هي نفسها تقريبًا بالنسبة للجزيئات الثلاثة المختارة. يشير هذا إلى أن انتهاك العلاقة الكلاسيكية بين اللزوجة والانتشار، في حدود الدقة التشغيلية، لا يعتمد على حجم الجزيء وقد يكون شائعًا بين الكربوهيدرات المختلفة. وأضاف نيكولاي كوندراتيوك، المدير التنفيذي لمركز MIPT للفيزياء الحاسوبية: “يعني التشابه المكتشف أنه يمكننا البحث عن تصحيح أكثر شمولاً لعلاقة ستوكس-آينشتاين لفئة كاملة من الكربوهيدرات، وليس فقط لسكر واحد محدد. واقترحنا أيضًا تعديلًا بسيطًا على الصيغة الكلاسيكية، مما يساعد في تقدير انتشار جزيئات السكر في المحاليل المركزة بدقة أكبر بنسبة 20-30٪ من الصيغة الكلاسيكية”. النهج المستخدم له أيضا قيود. تعتمد الدراسة على عمليات المحاكاة الذرية، والتي تقتصر على حجم النظام الحسابي وزمن المحاكاة. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض الحلول شديدة التركيز التي تم النظر فيها تتوافق مع حالات شبه مستقرة، والتي يصعب التحقق منها تجريبيًا. لذلك، تتطلب نتائج المحاكاة تفسيرًا دقيقًا عند مقارنتها بالأنظمة الحقيقية. وفي الوقت نفسه، يتيح لنا النهج المقترح الحصول على صورة مجهرية مفصلة لتفاعل جزيئات السكر مع الماء ومع بعضها البعض مع زيادة التركيز. الخطوة التالية للباحثين هي فهم السبب المجهري لفصل اللزوجة والانتشار في محاليل السكر المركزة. تتيح لك النمذجة الجزيئية إلقاء نظرة على النظام على المستوى الذري: كيف تتغير بيئة جزيئات السكر، وكيف تتفاعل مع الماء ومع بعضها البعض مع زيادة تركيزها. لن يساعد هذا في وصف التأثير فحسب، بل سيساعد أيضًا في شرح طبيعته.
