Распыленная в воздухе жидкость образует облако капель — именно по такому принципу работают знакомые нам аэрозоли, например, духи или спрей от боли в горле. Это облако химики называют капельным кластером. Явление было открыто 20 лет назад ученым из ТюмГУ Александром Федорцом. Капельный кластер — это самоорганизованная система частиц со своими принципами взаимодействия. Внутри такого скопления жидкости капли способны передавать информацию от одной к другой, образуя целую коммуникационную сеть. Такую систему можно запрограммировать на решение определенных задач (например, для генерации случайных чисел или поиска выхода из лабиринта), но нужно понимать, по каким принципам она функционирует и как ей управлять. Из-за быстроты реакций и невозможности «поймать» движение капель сделать это затруднительно. Разработка ученых ИТМО и Тюменского университета позволяет наблюдать за процессами внутри таких систем и отслеживать закономерности поведения частиц в них.
В специальной установке, собранной в ТюмГУ, в распыленном облаке жидкости наблюдается реакция между меламином и циануровой кислотой. С этими реагентами ученые ИТМО работают давно и могут с точностью рассчитать, как именно внутри частиц жидкости пройдет процесс образования супрамолекулярных кристаллов, то есть кристаллов из более двух молекул, тесно связанных и взаимодействующих друг с другом. Эти кристаллы видны внутри капель, что позволяет отслеживать изменения их поведения в ходе реакции и фиксировать их. Когда на облако падает луч света, внутри капель образуются блики и кристаллы начинают мигать с разной частотой, транслируя данные о своем состоянии. Частицы вращаются, и блики, в которых закодирована информация, содержащаяся в каплях, от одного кристалла передаются другому. За счет этих отражений происходит коммуникация внутри системы.
Считать данные, передаваемые каплями, и перевести их на знакомый нам язык помогает разработанный учеными алгоритм. Снимки химической реакции загружаются в нейросеть. Она обнаруживает взаимосвязи в поведении частиц и преобразует данные в карту, на которой в зависимости от частоты вращения и интенсивности свечения капли обозначаются разными цветами. Это дает возможность не только послушать музыку, созданную природой, но и вычислить принципы функционирования подобных систем.
«Главная цель работы — показать, как протекают процессы в подобных химических системах и как ими управлять. Но мы также научились перепрограммировать поведение капельного кластера. Меняя температуру воды в установке или объем реагентов, мы увеличиваем или уменьшаем размеры и число капель и наблюдаем, как меняется характер взаимодействия между ними. Нам удалось подтвердить факт того, что от одной капли может передаваться информация к другой. Это открывает возможности использования такой системы для создания химических вычислителей как альтернативу электронных устройств. Кроме того, такие системы совместимы с живыми системами, а значит мы можем запрограммировать и их. Например, поместить в каплю бактерию и корректировать ее поведение», — отмечает один из авторов проекта, профессор, ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Екатерина Скорб.
Екатерина Скорб. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Из тяги к искусству ученые добавили в нейросеть функцию трансформации сигналов капель в ноты. Оказалось, что «общение» частиц может звучать — эту творческую разработку назвали «микрооркестром» левитирующего капельного кластера. Для генерации музыки используется целотоновая гамма, или иначе «расширенная» гамма, состоящая не из классических семи, а шести нот, что позволяет добавить джазовые нотки к звучанию «микрооркестра». Также можно выбрать количество и состав инструментов в оркестре, настроить ИИ на быстрое или медленное воспроизведение, в мажоре или миноре. Эти ноты также можно скачать и сыграть «музыку капельного кластера» на фортепиано.
Исследование поддержано грантом РНФ №24-13-0035.
