Разработан инновационный метод определения динамики взаимодействующих частиц

31.10.2024 22:23:00 | iXBT.com

Группа исследователей разработала инновационный метод определения динамики микроскопических взаимодействующих частиц, используя распознавание изображений для подсчёта количества частиц в «воображаемом ящике». Эта техника, названная «контоскопией», позволяет изучать динамику системы, даже для плотной группы частиц, взвешенных в жидкости. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review X.

Учёные многих дисциплин, от биологов, изучающих клетки, до химиков, изучающих молекулы, и физиков, давно пытаются использовать подсчёты частиц для характеристики их движения. Традиционно для этого используется «константа диффузии», которая описывает, насколько быстро движется средняя частица в жидкости. Однако отслеживание траекторий и смещений частиц может быть затруднено, если не невозможно, когда частиц много или они неразличимы.

(a) Иллюстрация среды, в которой работает контоскоп, (b) Двумерная коробка с 54 частицами внутри, (c) График колебаний числа частиц прототипа с течением времени, полученный в результате моделирования. Источник: Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041016

София Марбах из Парижского университета Сорбонна и её коллеги изобрели контоскопию, чтобы обойти это ограничение. Система использует программное обеспечение для распознавания изображений, чтобы подсчитать количество частиц в виртуальном «ящике» в образце, которое может исчисляться тысячами. Пользователь может выбрать желаемый размер «ящика» контоскопа, чтобы изучать динамику частиц в больших или меньших масштабах.

Группа разработала уравнение, которое использует флуктуирующее количество частиц в ящиках для расчёта константы диффузии и вывода динамических свойств взаимодействующих суспензий частиц. Они протестировали свою методику на двумерном слое пластиковых сфер диаметром 2,8 микрона в ячейке, заполненной водой. Используя эту искусственную коллоидную систему, учёные выбрали квадратные фрагменты со сторонами от 4 до 32 микрон. Их программное обеспечение подсчитало количество частиц в каждом фрагменте.

Используя эти данные, удалось вычислить среднее изменение числа частиц относительно первого «ящика», которое увеличивалось как квадратный корень времени. Согласно этой методологии, значение для константы диффузии совпало с полученным с помощью более традиционных методов, которые реконструируют траектории частиц.

Когда авторы работы увеличили количество частиц в моделируемом коллоиде, частицы диффундировали от своих исходных точек, как и ожидалось. Метод всё ещё работал, но учёные начали видеть образование временных сгустков частиц, около 10, в прототипной установке. Это было то, чего не наблюдалось в традиционных исследованиях, просто потому, что отслеживание только одной частицы за раз не может выявить сгустки.

Хотя частицы не взаимодействовали в своём прототипном коллоиде, эксперименты в реальном мире обычно не могут быть аппроксимированы как невзаимодействующая система. В отличие от менее плотных систем, команда обнаружила, что значительные отклонения от математических выражений имели место при высоких упаковочных долях. Авторы смогли модифицировать свой анализ, когда гидродинамические и / или стерические факторы усложняли систему.

«Мы верим, что наш аналитический подход можно распространить на 3D, на твёрдые тела или кристаллы», — написали они в своей статье. София Марбах добавила: «Многие учёные хотели бы использовать эту структуру для исследования самых разных систем за пределами коллоидов: микроводорослей, бактерий, активных коллоидов, коллоидных стёкол, молекул и т. д.. Мы определённо получили интерес к использованию со стороны других ученых. Это настолько просто сделать, что некоторые коллеги просто попробовали это на своих собственных данных и увидели результаты в зависимости от системы, которую они исследовали». Она также отметила, что существует много направлений для будущих исследований, включая усовершенствование техники контоскопа и её расширение для исследования различных динамических характеристик за пределами диффузии.

Подробнее