Podrobno

Stabilnost biološke snovi pod natezno napetostjo
ID Šako, Marin (Avtor), ID Kanduč, Matej (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (11,43 MB)
MD5: EF3B94D84463C5D452E689BEB17F67B3

Izvleček
Tekočine pod negativnim tlakom oziroma napetostjo so metastabilni sistemi, nagnjeni h kavitaciji—nastanku parnih mehurčkov—ki jih najdemo tako v tehnoloških kot bioloških kontekstih. Primeri segajo od litotripsije in poškodbe tkiva povzročene z ultrazvokom do hidravlike pri rastlinah in izstreljevanja spor praproti. Klasična teorija nukleacije napoveduje, da lahko čista voda prenese napetosti med -110 in -160 MPa, preden pride do kavitacije, vendar eksperimentalne študije visoko prečiščene vode dosledno merijo tlake bližje -20 do -30 MPa. Ta velika razlika se pogosto pripisuje prisotnosti nečistoč, površinskih napak in že obstoječih nanomehurčkov, ki delujejo kot šibke točke znotraj tekočine. Biološke tekočine so še posebej dovzetne za kavitacijo, saj vsebujejo mešanico vode, lipidov, beljakovin, raztopljenih plinov in drugih topljencev. Hidrofobne snovi v takšnih sistemih predstavljajo najšibkejši člen, saj zaradi šibkejših medmolekularnih interakcij lažje kavitirajo kot voda. To delo raziskuje stabilnost tekočin pod napetostjo ter premošča vrzel med teorijo in eksperimentom. Z modeliranjem organskih nečistoč in površinskih nepravilnosti pokažemo, da natezna trdnost ni določena z gostoto nečistoč, temveč z velikostjo največje. Posamezna nanoskopska kapljica organskega materiala ali nanomehurček, večja od nekaj deset nanometrov, lahko zniža natezno trdnost na eksperimentalno opažene vrednosti. Manjše nečistoče ostajajo zanemarljive, saj se vodikove vezi v vodnem okolju lahko prerazporedijo okoli njih. Nadalje pokažemo, da lahko lipidi, ki so v izobilju v bioloških materialih, nudijo stabilizacijski mehanizem. Lipidni dvosloji in lipidni monosloji lahko prekrijejo hidrofobne defekte ter zmanjšajo njihovo sposobnost sprožanja kavitacije, hkrati pa zagotavljajo večjo stabilnost kot nezaščitene površine. Ti izsledki ponujajo vpogled v to, kako rastline vzdržujejo transport soka pri visokih napetostih, in nakazujejo, da ima stabilizacija s površinsko aktivnimi snovmi lahko zaščitno vlogo proti kavitaciji v bioloških sistemih.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:Kavitacija, Mehurček, Kapljica, Voda, Olje, Površinski nanomehurčki, Površinske napake, Klasična teorija nukleacije, Kontaktni kot, Lipidni sloji, Površinska napetost, Omakanje, Simulacija molekulske dinamike
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Tipologija:2.08 - Doktorska disertacija
Organizacija:FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
Leto izida:2026
PID:20.500.12556/RUL-182085 Povezava se odpre v novem oknu
COBISS.SI-ID:275976451 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:24.04.2026
Število ogledov:355
Število prenosov:266
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Stability of biological matter under tension
Izvleček:
Liquids under negative pressure, or tension, are metastable systems prone to cavitation—the formation of vapor-filled cavities—which can be found in both technological and biological contexts. Examples range from lithotripsy and ultrasound-induced tissue damage to plant hydraulics and the catapulting of fern spores. Classical nucleation theory predicts that pure bulk water can sustain tensions as low as between -110 and -160 MPa before cavitating, yet experimental studies of highly purified water consistently measure thresholds closer to -20 to -30 MPa. This large discrepancy is widely attributed to the presence of impurities, surface defects, and pre-existing nanobubbles, which act as weak points within the liquid. Biological fluids are particularly vulnerable, as they contain a mixture of water, lipids, proteins, dissolved gases, and solutes. Hydrophobic materials within such mixtures represent the weakest link, cavitating more readily than water due to weaker intermolecular interactions. This work explores the stability of liquids under tension, bridging the gap between theory and experiment. By modeling organic impurities and surface irregularities, we demonstrate that tensile strength is dictated not by the density of impurities but by the size of the largest one. A single nanodroplet of organic material or a nanopit above a few tens of nm in size can reduce the tensile strength to experimentally observed values. Impurities smaller than 1 nm remain negligible, as the hydrogen-bonded water network can reorganize around them. We further show that lipids, abundant in biological matter, may offer a stabilizing mechanism. Lipid coatings can mask hydrophobic defects, reducing their ability to nucleate cavitation, while still providing greater stability than unprotected surfaces. These findings offer insight into how plants sustain sap transport under high tension and suggest that surfactant-mediated stabilization may play a protective role against cavitation in biological systems.

Ključne besede:Cavitation, Bubble, Droplet, Water, Oil, Surface nanobubble, Surface defect, Classical nucleation theory, Contact angle, Lipid layer, Surface tension, Wetting, Molecular dynamics simulation

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj