Forskere tilbyder perspektiver på kavitationsvidenskab

En type skade i bløde materialer og væv kaldet kavitation er et af de mindst undersøgte fænomener i fysik, materialevidenskab og biologi, siger ekspertobservatører. Men stærke beviser, der tyder på, at kavitation opstår i hjernen under pludselige påvirkninger, der fører til traumatisk hjerneskade (TBI), har øget interessen for nylig, siger materialeforsker Alfred Crosby ved University of Massachusetts Amherst og hans team.

Crosby er seniorforfatter til et nyt "Perspectives" papir i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Forskerne har til hensigt at sætte gang i en frisk diskussion og fremme samarbejdet mellem nye samfund af biologer, kemikere, materialeforskere, fysikere og andre for at fremme viden. De definerer højt prioriterede mål og peger på nye muligheder inden for, hvordan stof deformeres og flyder med kavitation.

Crosby siger, "Vi nedbryder barrierer, der adskiller forskellige videnskabelige områder for at anspore til fremskridt i forståelsen af ​​kavitation - hvordan det forårsager svære at diagnosticere skader eller usynlige fejl i bløde materialer."

Han og ph.d. studerende Christopher Barney og Carey Dougan, med-første forfattere af papiret, arbejdet sammen med kemiingeniør Shelly Peyton, maskiningeniør Jae-Hwang Lee og polymerforsker Greg Tew ved UMass Amherst. Andre på "CAVITATE"-holdet er kemiingeniør Rob Riggleman ved University of Pennsylvania og maskiningeniør Shengqiang Cai ved University of California, San Diego. Støtten er fra et 2,6 millioner dollars tilskud fra US Office of Naval Research.

"Mens kavitationens verden historisk set ser ud til at være ingeniørers og fysikeres område, der er voksende muligheder for, at syntetisk kemi kan bidrage til feltet, " siger forfatterne. "Kemisamfundet vil i væsentlig grad hjælpe både mekanik- og biologisamfundene med at forstå de fysiske principper for kavitation samt bruge dem med fordel i kemiske reaktioner."

Studeret hovedsageligt i væsker i mange år, kavitation er skabelse og kollaps af bobler i væsker, Crosby forklarer. Når bobler kollapser tvinger de væske ind i et mindre område, forårsager en trykbølge og øget temperatur, som fører til skader. I en pumpe, kavitation kan erodere metaldele over tid, for eksempel. Kavitation inde i kunstige hjerteklapper kan beskadige ikke kun delene, men også blodet, han siger. Mikrokavitation i hjernen som følge af kraftige slag eller at være tæt på en eksplosion er faktorer i TBI.

Crosby siger, at holdets perspektivpapir udforsker, hvordan kavitation ikke kun kan bruges til at forhindre skade, men også hvordan man bruger kavitation som et unikt værktøj til at forstå blødt væv. For eksempel, nye metoder bruger kavitation til at studere, hvordan egenskaber som styrke udvikler sig i væv. Medforfatter Barney siger, at forskerne håber at kunne anspore til ny forskning og udvikling inden for medicin, kemi, biologi, mekanik og til nye anvendelser.

Crosby opfandt et nyt eksperimentelt værktøj kaldet kavitationsreologi til måling af de lokale mekaniske egenskaber af blødt stof. Han siger, "Vi håber, at dette vil føre til fremskridt inden for medicinsk udstyr til diagnosticering af sygdom, nye enheder til beskyttelsesudstyr og nye bæredygtige tilgange til rengøringsmaterialer."

Medforfatter Dougan tilføjer, "Mens kavitation ofte opfattes som noget, der skal undgås, vi sigter mod at bruge det til gavn for medicin og udvikling af nye behandlinger." kavitationsreologi kan bruges til at måle styrken af ​​grænseflader i hjernen, hvilket er svært at opnå med nogen anden metode, bemærker hun. Specifikt for TBI, forfatterne skitserer teknikker for biologer til at etablere kavitationsreologi som et værktøj til at karakterisere mekaniske reaktioner fra blødt biologisk væv.