Обычно, если вы хотите, чтобы жидкость текла только в одном направлении через трубу, эта труба должна быть оснащена клапаном типа лепестка, который может выйти из строя. Однако теперь ученые создали новый тип потенциально более надежной односторонней трубы, которая была вдохновлена кишечником акулы.
В то время как кишечник человека по сути представляет собой просто множество полых трубок, нижняя часть кишечного тракта акулы включает в себя то, что известно как спиральный клапан. Это относительно короткий, прямой участок кишечника со спиральной (штопорообразной) структурой внутри.
Поскольку разжиженная пища спирально движется по этой структуре, ее прохождение по пищеварительному тракту замедляется, гарантируя, что максимальное количество питательных веществ будет усвоено из нее стенками кишечника клапана. Акулам требуется такое расположение, так как их кишечник значительно короче нашего.
Три года назад группа американских ученых предположила, что спиральный клапан также предотвращает обратный поток в кишечном тракте акул, поскольку пища не может течь обратно по структуре, как только она оказывается внутри. Более того, исследователи отметили, что это возможно, несмотря на наличие какого-либо клапана, который должен был захлопнуться.
Вдохновленный этим исследованием, постдокторант Идо Левин и его коллеги из Вашингтонского университета решили воспроизвести одностороннюю функциональность спирального клапана в жестких 3D-печатных трубах. Все трубы имели узкий открытый канал посередине, окруженный спиральной структурой, которая заставляла любую жидкость, проходящую по трубе, завихряться вперед.
Партия жестких труб, созданных для исследованияИдо Левин/Вашингтонский университет
Ученые напечатали несколько различных прототипов труб, экспериментируя с геометрическими параметрами, такими как угол наклона и количество витков в спиралях. В конечном итоге они получили трубы, которые обеспечивали односторонний поток жидкости даже лучше, чем клапан Теслы — последний был устройством с односторонним потоком, изобретенным Николой Теслой, в котором не было подвижных частей.
Однако, учитывая тот факт, что спиральные клапаны акул не являются жесткими, ученые продолжили делать большепрототипы из самого мягкого полимера для 3D-печати, который доступен в продаже. Они оказались намного лучше, превзойдя клапан Теслы как минимум в семь раз. Тем не менее, ткань кишечника акулы в 100 раз мягче полимера, поэтому исследователи утверждают, что еще есть возможности для совершенствования.
Возможные применения этой технологии включают трубопроводы или медицинские микрофлюидные устройстваСара Л. Келлер/Вашингтонский университет
«Химики уже были мотивированы разрабатывать полимеры, которые одновременно были бы мягкими, прочными и пригодными для печати», — сказал профессор Альшаким Нельсон, который был соавтором исследования вместе с профессором Сарой Келлер и научным сотрудником-постдокторантом Нароа Садаба. «Потенциальное использование этих полимеров для управления потоком в различных областях применения, от инженерии до медицины, усиливает эту мотивацию».
Статья об исследовании была недавно опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
