Не все пузырьки одинаково полезны

Наверняка каждый видел, как на стенках емкости с водой, если оставить ее на длительное время, образуются пузырьки. Еще более наглядно и быстро этот процесс можно наблюдать в стакане с газировкой. Всё дело в том, что вода ― это не однородная среда. Все жидкости представляют собой растворы, в которых достаточно большое количество примесей, в основном атмосферных газов.

Именно поэтому под воздействием определенных условий в жидких средах возникает процесс кавитации, сопровождающийся образованием и схлопыванием большого количества пузырьков. Кавитация возникает при изменении давления в жидкости. Пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, а температура газа внутри пузырьков сильно колеблется и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию.

На практике этот эффект можно встретить в абсолютно разных сферах, причем часто у него весьма неприятные последствия. Классический пример ― кавитационная коррозия металлов, которая вызывает разрушение гребных винтов судов или гидротурбин. Поэтому материалы, соприкасающиеся с жидкостью, в которой развивается кавитация, постепенно разрушаются.

Но есть от кавитации и польза. Уже давно этот физический эффект используется при ультразвуковой очистке поверхностей твердых тел. Используя звуковые волны в жидкости, специальные устройства создают кавитацию. Затем кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности.

Также еще несколько лет назад авторы одной из работ предположили, что кавитация может пригодиться при таргетной доставке лекарств. В теории метод выглядит так: после того, как инкапсулированное лекарство запускается в кровоток, специалисты могут применить ультразвук, локально направить его в определенную область, создать тем самым кавитационные пузыри, а уже они, лопаясь, разрушат капсулы с лекарством и обеспечат его выход непосредственно к участку опухоли. Но чтобы это сработало, ученым нужно точно знать, как именно пузырьки будут взаимодействовать друг с другом, с жидкостью и различными твердыми барьерами и как поведет себя вся система в целом. Ведь при взрыве пузырька выделяется большое количество энергии. Если что-то пойдет не так, может возникнуть большой риск разрыва тканей или даже летального исхода. Но если, например, научиться генерировать пузырьки правильного размера и с нужной резонансной частотой, то они будут взрываться ровно так, чтобы только разрушить капсулу лекарства.

Предсказать систему

Изучением процессов, связанных с кавитацией, занимаются и ученые Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО. По итогам недавнего исследования им удалось доказать, что в растворах разной концентрации пузырьки ведут себя по-разному, а также научить нейросеть фиксировать эти изменения и определять, в растворе какой концентрации снят пузырек.

Образование кавитационных пузырьков в растворе под действием ультразвука. Анимация предоставлена авторами исследования

Данные были получены с экспериментальной установки, которая одновременно генерировала пузырьки в водно-спиртовом растворе и фиксировала динамику их расширения-сжатия с помощью высокоскоростной камеры. Причем ученые максимально приблизили условия измерения к реальным. Движение пузырьков не ограничивали и регистрировали их во время движения в среде. В результате в процессе исследования удалось получить базы данных из более чем 10 тысяч снимков. На этих кадрах и обучалась нейросеть. Сейчас ее точность достигает 89% ― она умеет определять спиртовые растворы разной концентрации (от 5% до 96% спирта). 

Первым автором исследования выступил ученик 11 класса ГБОУ СОШ №358 Илья Королев. Еще в 2020 году он пришел на недельную практику в Научно-образовательный центр инфохимии и решил остаться и продолжать работу. Как сам признается, сначала было просто интересно поработать с установкой и изучить, как кавитационные пузырьки взаимодействуют между собой в разных растворах. Но в итоге интерес вылился в серьезную научную работу ― статья об исследовании вышла в международном научном журнале.    

«Когда я пришел в НОЦ инфохимии, вообще не знал, чем хочу заниматься в жизни. Просто увидел объявление о стажировке, решил попробовать. Сначала у нас была недельная практика, во время которой мы работали с менторами в лаборатории, выполняли собственные проекты. Но мне этого не хватило, я захотел еще. Написал Екатерине Владимировне Скорб, и она предложила приходить по воскресеньям, чтобы обсуждать проекты и мой карьерный трек. Так я стал заниматься в Центре и вот, у меня уже вышла статья, ― рассказывает он. ― Сейчас, уже получив определенный опыт от старших коллег, могу сказать, что я хотел бы пойти в науку, заниматься исследовательской деятельностью. Конечно, интересно получить международный опыт, а также в перспективе сформировать собственную научную группу. И, конечно, сотрудничать с коммерческими компаниями».

Что дальше

Как отмечают авторы исследования, эта работа может быть полезна сразу в нескольких областях. Во-первых, ученым ИТМО удалось показать, что для предсказания динамики кавитационных пузырьков можно использовать машинное обучение. А это, в свою очередь, открывает потенциальные возможности для более успешного применения этого физического эффекта, например, при таргетной доставке лекарств.

Другая перспективная область ― промышленность, например нефтеперерабатывающие заводы или пищевые производства, где необходимо жестко контролировать состав и концентрацию сырья.

«Обученную нейросеть можно применять, чтобы установливать состав сложных смесей, определять небольшие концентрации примесей, октановое число бензина и другое. Перспективы методики заинтересовали партнеров из компаний "Татнефть" и "Газпром нефть" во время визита коллег в лаборатории Университета ИТМО», ―  прокомментировала директор Научно-образовательного центра инфохимии, профессор ИТМО Екатерина Скорб.

Полученные данные авторы выложат в открытый доступ, чтобы любой, кто хочет определить состав растворов и использовать это в образовательных целях, смог использовать нейросеть. В перспективе в Научно-образовательном центре инфохимии планируют создать собственный репозиторий, где будут храниться это и различные другие open source решения, созданные его специалистами.

Подробнее об исследовании: Ilya Korolev, Timur A. Aliev, Tetiana Orlova, Sviatlana A. Ulasevich, Michael Nosonovsky, and Ekaterina V. Skorb. «When Bubbles Are Not Spherical: Artificial Intelligence Analysis of Ultrasonic Cavitation Bubbles in Solutions of Varying Concentrations», Journal of Physical Chemistry, April 18, 2022.