PNAS: Ученые объяснили, как твердые материалы становятся текучими

При каких условиях хлюпающие зерна могут вести себя как жидкость, а не как твердое тело, выяснили исследователи Самуэль Пуанклу, который сейчас работает в Университете Аояма Гакуин, и Кадзумаса А. Такеучи из Токийского университета.

Подобные изменения происходят во многих биологических процессах, например, когда развивается эмбрион: клетки ведут себя как «хлюпающие» биологические зерна, формируют твердые ткани или перетекают, создавая разные органы.

Эксперименты и теоретические исследования помогут понять, как работают механические и биохимические процессы. Это важная задача в биологии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Представьте кучу песка на столе. Когда мы медленно поднимаем один край стола, песок какое-то время остается неподвижным и ведет себя как твердое тело. Но при определенном угле наклона стола силы, которые удерживали песок вместе, не могут справиться с гравитацией: куча разрушается и начинает вести себя как жидкость.

Такое превращение твердого вещества в жидкое хорошо изучено для объектов, которые не меняют свою форму, например, для песка или камней. Однако в биологии объекты часто меняют свою форму под воздействием внешних сил.

Хотя наша работа затрагивает уже изученную тему, она все равно важна и интересна. Мы сделали ее достаточно понятной, чтобы можно было применить разные подходы к изучению. В работе мы использовали инструменты из разных областей науки, например, биомеханику. Это помогло нам понять, меняют ли «зерна» свою форму или положение, — говорит Пуанклу, первый автор.

Ученые провели исследование с помощью экспериментов, компьютерного моделирования и описания геометрических форм. Они использовали тонкие резиновые кольца, похожие на «хлюпающие» зерна, и складывали их в контейнер. Меняли количество колец, их плотность и силу, которая давила на них с боков.

Потом ученые посмотрели на фотографии и измерили, как кольца располагались, какую форму принимали и где касались друг друга, когда деформировались. Это помогло понять, насколько сильно кольца меняли свое положение (как жидкость) или форму (как твердое тело). В конце исследования ученые использовали компьютерное моделирование и геометрический анализ, чтобы разобраться, как влияют трение и взаимодействие между кольцами.

Главный сюрприз мы обнаружили в самом конце проекта, — говорит Пуанклу.

Удивительно, но за всеми изменениями формы и трениями стоит простая геометрия. Она объясняет, как материалы становятся текучими.

Эти результаты — первые шаги к пониманию того, как взаимодействуют живые организмы на уровне клеток. Теперь ученые думают, что делать дальше.

Чтобы лучше понять биологические ткани, мы можем изменить взаимодействия между ними и добавить кольцевую адгезию. Это нужно для имитации связывающих белков между клетками.

Для тех, кто будет проводить эксперименты с этими структурами: не забудьте закрыть контейнер крышкой, чтобы они не разлетелись по лаборатории… Такое уже случалось не один раз.

25.11.2024