Динамика оболочечных и капельных микроструктур при акусто-вибрационном воздействии (1102856), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Phys. Fluids. 2006. V. 18. P. 012101.6задач медицинской акустики и для разработки новых нанотехнологий, связанных спроцессами самосборки наноструктур в «капельных микрореакторах».Основные цели работы1.Исследование деформационной динамики оболочечных микросистем приакустическом воздействии с ориентацией на прикладные задачи медицинскойакустики. Анализ различных режимов озвучивания указанных систем с учетомразнообразия их структуры (оболочечные микропузырьки, капельная системав оболочке, микрокапсула с внутренним жидким шаровым слоем ицентральной газовой полостью).2.Обоснование деформационного критерия образования сквозных дефектов вбислойных мембранах, потенциально приводящих к их разрушению принестационарных деформациях в процессе акустического воздействия.3.Построение адекватной модели, описывающей динамику изменения формымикрокаплипроизвольнымнавибрирующейугломтвердойсмачивания;подложке,расчетхарактеризуемойнормальныхчастотисоответствующих нормальных мод рассматриваемой системы.Поставленные цели работы достигаются путем решения следующих задач.–Разработка математического описания динамики оболочечной микросистемыс учетом ееструктурных иакустомеханических характеристик приультразвуковом и ударно-волновом воздействии; создание пакета программдля численного расчета локального и интегрального изменения площади еемембраны.–Разработка модели роста поры в бислойной мембране при нестационарномрастяжении; создание в рамках предложенной модели пакета программ длярасчета вероятности разрыва элемента мембраны на основе поведенияструктурного дефекта при различных режимах изменения площади системы современем.7–Создание метода расчета формы капли и соответствующего поля скоростейобразующей ее идеальной несжимаемой жидкости на вибрирующей подложкепри произвольных углах смачивания твердой поверхности.Научная новизна работы1.Показано, что деформации заполненной жидкостью микрокапсулы приакустическом воздействии связаны с изменением ее формы на фонепренебрежимомалыхизмененийобъема.Деформацииповерхностимикрокапсулы обусловлены развитием в среде сдвиговых течений и зависят отдлительности и значения пространственного градиента давления в падающейволне; абсолютное значение амплитуды давления волны на этот процессвлияет незначительно.

В динамике микрокапсулы, содержащей легкосжимаемую область (пузырек), радиус которой сопоставим с линейнымразмеромсистемы,продемонстрировано,парциальноймодыпреобладаютчторезонанснаяопределяютсясимметричныечастотаипреимущественноосцилляции;амплитуданулевойрадиусомгазовойполости.2.Показано, что при неоднородных деформациях оболочки характеристикаинтегрального изменения ее площади не содержит информации о значениилокального растяжения элементов мембраны; при этом разница междулокальным и интегральным изменением площади оболочки, в зависимости отстепени неоднородности смещений ее элементов и сжимаемости капсулы,может достигать нескольких порядков.3.Предложен новый критерий разрыва бислойных мембран по величине ихлокальногорастяжения,основанныйнапричинно-следственнойсвязидеструкции мембраны в результате появления поры и ее неустойчивогоразвития в виде неограниченного роста, что проявляется при нестационарныхдеформациях оболочки.

С помощью этого критерия показано, что значениепорогового локального растяжения липидной мембраны при акустическомвоздействии увеличивается с ростом скорости ее деформаций.84.Разработан метод, позволяющий рассчитывать нормальные частоты и формынормальных мод капли на подложке при произвольных углах смачивания и влюбой заданный момент времени строить изменяемую поверхность капли привибровоздействииоснования(подложки).Показано,чтодинамикамикрокапли, ее нормальные частоты и соответствующие им формынормальных мод зависят от углового размера капли и граничного условия,действующего на периметре смачивания.Научная и практическая ценность работыПредставленныевработерезультатыисследованиядеформационнойдинамики оболочечных микросистем и разработанные методы численного расчетапараметров акустической волны, приводящих к максимальным деформациямсистемы, могут быть применены при разработке режимов озвучивания такихструктур для реализации заданных результирующих эффектов: временногоизменения проницаемости или разрыва их мембран.

Предложенный в работедеформационный критерий разрыва липидных мембран уточняет прогнозакустического и ударно-импульсного действия на клетки и искусственные системыпутем решения модельных акустических задач о деформации соответствующихоболочечныхмикроструктур.Предложенныйметодрасчетадеформациймикрокапли на подложке при произвольных углах смачивания необходим дляреализациисоответствующих нанотехнологийпо формированию заданныхнаноструктур в результате их самосборки.Защищаемые положения1.Результатытеоретическихисследованийдинамикимикрокапсулприультразвуковом и ударно-импульсном воздействии.2.Деформационный критерий разрушения бислойных мембран по величинелокального изменения площади.3.Метод расчета нормальных частот, форм нормальных мод и изменяемойповерхностимикрокапли,деформируемой9привибрацииподложки,характеризуемой произвольным углом смачивания для жидкой составляющейкапли.Апробация работы и публикацииПо материалам диссертации имеется 10 публикаций, в том числе 2 статьи вжурнале «Вестник Московского Университета.

Серия 3. Физика. Астрономия», 1статья в журнале «Acoustical Physics» (англоязычный вариант Акустическогожурнала), а также 7 статей в трудах научных конференций.Результаты диссертациидоложены автором на 7конференциях: намеждународных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам «Ломоносов–2002» (Москва, 2002), «Ломоносов–2003»(Москва, 2003); на XV (Нижний Новгород, 2004), XVI (Москва, 2005), XVIII(Таганрог, 2006) и XIX (Нижний Новгород, 2007) сессиях РАО; на II Евразийскомконгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика–2005»(Москва, 2005).Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав (включая обзор литературы),выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 164страницах, включает 50 рисунков, 11 таблиц и список цитируемой литературы из135 наименований.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВоВведенииданократкоеобоснованиеактуальностисформулированы ее основные цели, представлена структура диссертации.10работы,В главе I дана характеристика рассмотренных в работе оболочечных систем(микроконтейнеры, оболочечные микропузырьки, капельная модель клетки);указаны возможности их применения в приложениях медицинской акустики.Представлены основные данные о воздействии ультразвуковых волн и ударноволновых импульсов на искусственные оболочечные микрообъекты и клеточныемембраны; предложена классификация возможных механизмов нетепловогоакустического воздействия на клеточные мембраны.В качестве самостоятельного объекта исследования представлена система«микрокапля на вибрирующем основании» с перспективами ее использования всовременных технологиях.Указаныосновныеакустомеханическиемоделидляописаниядеформационной динамики оболочечных микросистем при ультразвуковом иударно-импульсном воздействии, а также схемы расчета деформационногоизменения формы микрокапли на подложке при вибровоздействии.Глава II содержит математическое описание основной акустической задачи орасчете динамики и величины деформации оболочечных микроструктур с учетомнесимметричных колебаний в процессе ультразвукового и ударно-импульсноговоздействия на них с параметрами, характерными для медицинских приложений.Исходя из теории тонких оболочек и симметрии задачи по азимутальномууглу  , радиальное ur и тангенциальное u смещения элементов мембраныкапсулы в сферической системе координат r ,  ,  представимы в виде рядов:ur t ,    an t  Pn cos  ,n0u t ,    d n t  Pn1 cos (1)n 0с неизвестными функциями времени an t  и d n t  , являющимися амплитудамипарциальных мод, описываемых ортогональными полиномами Pn cos  , Pn1 cos Лежандра.

При описании ультразвукового воздействия на капсулу функции an t  иd n t  ищутся в виде an t   a0 n e  i  t , d n t   d 0 n e  i  t , где a0n и d 0 n – подлежащиеопределению постоянные. Если капсула подвергается ударно-импульсномувоздействию, то при расчете деформаций оболочки осуществляется переход кФурье-образам фигурирующих в задаче характеристик (поля давления и скоростей11частиц жидкостей, смещения элементов мембраны) с дальнейшим численнымрасчетом Фурье-образов an   и d n   амплитуд парциальных мод. Переход коригиналам an t  и d n t  осуществляется численно с помощью процедуры Фурьесинтеза.Выражения для смещений ur и u при акустическом воздействии полученыдля двух моделей оболочечных систем: покрытой упругой мембраной микрокаплии микроконтейнера с упругой оболочкой, частично заполненного внутреннимраствором и содержащего газовый пузырек.

Характеристики

Список файлов диссертации