Механизм генерации плазмы раками-щелкунами воспроизвели с помощью 3D-печати

Раки-щелкуны известны своей способностью издавать с помощью клешни крайне громкий звук, используя кавитационный механизм, во время которого в воде появляются воздушные пузырьки с образующейся в них плазмой. Американские ученые создали 3D-печатный аналог клешни, воспроизводящий этот механизм. Тесты искусственной клешни показали, что ее эффективность создания кавитации выше, чем у некоторых других методов, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

Раки-щелкуны представляют собой семейство ракообразных, характерная особенность которых заключается в неравномерном строении — они имеют две клешни, одна из которых гораздо больше второй и ее размер может превышать даже размер тела. Такая клешня необходима раку-щелкуну для охоты, во время которой он практически мгновенно сжимает ее и тем самым издает крайне громкий звук (более 200 децибелл), способный оглушить добычу или даже убить небольшую рыбу. Изучение механизма работы клешни показало, что во время движения она создает кавитационные пузырьки в воде, которые направляются в сторону добычи. При схлопывании этих пузырьков температура в них поднимается до пяти тысяч кельвинов, что приводит к кратковременному образованию плазмы и вспышке видимого излучения.

Синь Тан (Xin Tang) и Дэвид Штаак (David Staack) из Техасского университета A&M создали модель клешни рака-щелкуна и смогли воспроизвести кавитационный механизм образования плазмы и излучения во время ее сжимания. Авторы создали высокоточную масштабную модель клешни рака с помощью рентгеновской микротомографии, а затем распечатали на 3D-принтере две пластиковые части, аналогичные половинам клешни, но увеличенные в размере в пять раз. Авторы создали установку, в которой к этим частям присоединена скручивающая металлическая пружина, выступающая в качестве аналога мышц у рака-щелкуна. Установка оснащена спусковым механизмом, позволяющим освободить пружину и сжать клешню.

После создания экспериментальной установки ученые провели эксперименты в воде. Съемка с помощью рапидной камеры, снимающей с частотой 60 тысяч кадров в секунду, позволила изучить процесс кавитации во время смыкания клешни. Особенность строения клешни у раков-щелкунов заключается в том, что в основании малой части клешни находится выступ, который при смыкании попадает в углубление на противоположной части. Съемка показала, что это приводит к вымещению воды из полости через каналообразное образование и появлению в воде кавитационной полости, устремляющейся наружу. Кроме того, кавитация происходит на конце малой половины клешни во время ее быстрого движения при смыкании.

Также съемка с камеры позволила измерить скорость частей клешни и распространения кавитационной полости. Выяснилось, что максимальная скорость движения конца малой части клешни составляет 20,9±2,6 метра в секунду, а скорость распространения фронта кавитации составляет до 37,4 метра в секунду. Эти измерения позволили рассчитать число Рейнольдса для распространения кавитационной полости, которое составило до 1,23×10⁵, а также число кавитации (аналог числа Эйлера), которое составило до 0,3. Авторы отмечают, что полученные характеристики сравнимы с характеристиками, наблюдаемые у настоящих раков. Кроме того, измерения с помощью шлирен-метода показали, что ударная волна от схлопывающейся кавитационной полости распространяется со скоростью звука в воде (1487,9±39,7 метра в секунду).

Ученые попробовали обнаружить свечение во время схлопывания кавитационной полости. Измерения с помощью ПЗС-матрицы и фотоэлектронного умножителя позволили зарегистрировать слабоинтенсивный сигнал длительностью около 13–14 наносекунд, возникающий во время первого схлопывания кавитационного пузырька. Наконец, расчеты показали, что эффективность преобразования энергии пружины в потенциальную энергию кавитации составляет около 36 процентов, что выше, чем, к примеру, у лазерной кавитации. Авторы работы считают, что более пристальное изучение механизма и усовершенствование конструкции может позволить создать эффективное устройство для генерации плазмы для некоторых применений.

Непропорционально большой клешней также известны самцы манящего краба (Uca mjoebergi). Они используют ее для охоты, а также для привлечения самок во время брачного ритуала, при котором они помахивают клешней. В прошлом году австралийские ученые так же использовали искусственную модель клешни и выяснили, что самки предпочитают самцов, способных быстро двигать клешней, а также ускорять темп движений.

Григорий Копиев