Абляция: удаление и разрушение материалов и тканей.

Введение

Удаление материала с поверхности объекта

Абляция (ablatio – удаление) — это удаление или разрушение чего-либо с объекта посредством испарения, скалывания, эрозии или другими способами. Примеры абляционных материалов приведены ниже, включая материалы для космических аппаратов при взлете и возвращении в атмосферу, лед и снег в гляциологии, биологические ткани в медицине и материалы пассивной пожарной защиты.

Искусственный интеллект

В искусственном интеллекте (ИИ), особенно в машинном обучении, абляция — это удаление компонента из системы ИИ. Термин используется по аналогии с биологией, где происходит удаление компонентов организма.

Биология

Биологическая абляция – это удаление биологической структуры или функции. Генетическая абляция – это еще один термин для подавления генов, при котором экспрессия генов прекращается посредством изменения или удаления информации о генетической последовательности. При клеточной абляции отдельные клетки в популяции или культуре уничтожаются или удаляются. Оба метода могут использоваться в качестве экспериментальных инструментов, например, в экспериментах по изучению потери функции.

Медицина

В медицине абляция – это удаление части биологической ткани, обычно хирургическим путем. Поверхностная абляция кожи (дермабразия, также называемая омоложением, поскольку она стимулирует регенерацию) может проводиться химическими веществами (химоабляция), лазером (лазерная абляция), замораживанием (криоабляция) или электричеством (фулгурация). Ее цель – устранить пигментные пятна, стареющую кожу, морщины, тем самым омолаживая ее. В отоларингологии также применяется поверхностная абляция для различных видов хирургических вмешательств, например, при храпе. Радиочастотная абляция (РЧА) – это метод удаления патологических тканей изнутри организма посредством малоинвазивных процедур, используемый для лечения различных сердечных аритмий, таких как суправентрикулярная тахикардия, синдром Вольфа-Паркинсона-Уайта (СПУ), желудочковая тахикардия, а в последнее время – и для лечения фибрилляции предсердий. Этот термин часто используется в контексте лазерной абляции – процесса, при котором лазер разрушает молекулярные связи материала. Для абляции тканей лазером необходима высокая плотность мощности или флюенс, иначе произойдет термокоагуляция, представляющая собой просто термическое испарение тканей. Ротаблация – это вид артериальной очистки, заключающийся во введении в пораженную артерию крошечного, алмазного сверла для удаления жировых отложений или бляшек. Эта процедура используется при лечении ишемической болезни сердца для восстановления кровотока. Микроволновая абляция (МВА) аналогична РЧА, но использует электромагнитное излучение более высокой частоты. Абляция с помощью ультразвука высокой интенсивности (HIFU) позволяет неинвазивно удалять ткани из организма. Абляция костного мозга – это процесс уничтожения клеток костного мозга человека в подготовке к трансплантации костного мозга, осуществляемый с помощью высокодозной химиотерапии и облучения всего тела. Таким образом, она не связана с методами испарения, описанными в остальной части статьи. Абляция ткани мозга используется для лечения некоторых неврологических расстройств, в частности болезни Паркинсона, а иногда и психических расстройств. Недавно некоторые исследователи сообщили об успешных результатах генетической абляции. В частности, генетическая абляция потенциально является гораздо более эффективным методом удаления нежелательных клеток, таких как опухолевые, поскольку позволяет получать большое количество животных, лишенных определенных клеток. Генетически модифицированные линии могут поддерживаться в течение длительного времени и распространяться в научном сообществе. Исследователи из Колумбийского университета сообщили о восстановленных каспазах, полученных из C. elegans и человека, которые сохраняют высокую степень специфичности к мишени. Описанные методы генетической абляции могут оказаться полезными в борьбе с раком.

In medicine, ablation is the removal of a part of biological tissue, usually by surgery. Surface ablation of the skin (dermabrasion, also called resurfacing because it induces regeneration) can be carried out by chemicals (chemoablation), by lasers (laser ablation), by freezing (cryoablation), or by electricity (fulguration). Its purpose is to remove skin spots, aged skin, wrinkles, thus rejuvenating it. Surface ablation is also employed in otolaryngology for several kinds of surgery, such as the one for snoring. Radiofrequency ablation (RFA) is a method of removing aberrant tissue from within the body via minimally invasive procedures, it is used to cure a variety of cardiac arrhythmia such as supraventricular tachycardia, Wolff–Parkinson–White syndrome (WPW), ventricular tachycardia, and more recently as management of atrial fibrillation. The term is often used in the context of laser ablation, a process in which a laser dissolves a material's molecular bonds. For a laser to ablate tissues, the power density or fluence must be high, otherwise thermocoagulation occurs, which is simply thermal vaporization of the tissues. Rotablation is a type of arterial cleansing that consists of inserting a tiny, diamond tipped, drill like device into the affected artery to remove fatty deposits or plaque. The procedure is used in the treatment of coronary heart disease to restore blood flow. Microwave ablation (MWA) is similar to RFA but at higher frequencies of electromagnetic radiation. High intensity focused ultrasound (HIFU) ablation removes tissue from within the body noninvasively. Bone marrow ablation is a process whereby the human bone marrow cells are eliminated in preparation for a bone marrow transplant. This is performed using high intensity chemotherapy and total body irradiation. As such, it has nothing to do with the vaporization techniques described in the rest of this article. Ablation of brain tissue is used for treating certain neurological disorders, particularly Parkinson's disease, and sometimes for psychiatric disorders as well. Recently, some researchers reported successful results with genetic ablation. In particular, genetic ablation is potentially a much more efficient method of removing unwanted cells, such as tumor cells, because large numbers of animals lacking specific cells could be generated. Genetically ablated lines can be maintained for a prolonged period of time and shared within the research community. Researchers at Columbia University report of reconstituted caspases combined from C. elegans and humans, which maintain a high degree of target specificity. The genetic ablation techniques described could prove useful in battling cancer.

Электроабляция

Электроабляция – это процесс удаления материала с металлической заготовки для снижения шероховатости поверхности. Электроабляция разрушает высокорезистивные оксидные пленки, характерные для титана и других тугоплавких металлов и сплавов, не расплавляя основной, неокисленный металл или сплав. Это обеспечивает быструю финишную обработку поверхности.

Процесс позволяет проводить финишную обработку широкого спектра тугоплавких и широко используемых металлов и сплавов, включая: титан, нержавеющую сталь, ниобий, хром-кобальтовый сплав, Инконель, алюминий и различные широкодоступные стали и сплавы. Электроабляция особенно эффективна для достижения высокой степени финишной обработки в отверстиях, углублениях и скрытых или внутренних поверхностях металлических деталей. Процесс особенно подходит для компонентов, изготовленных методом аддитивного производства, таких как металлические детали, напечатанные на 3D-принтере. Эти компоненты обычно имеют шероховатость поверхности выше 5–20 микрон. Электроабляцию можно использовать для быстрого снижения шероховатости поверхности до менее чем 0,8 мкм, что позволяет применять этот процесс для финишной обработки поверхности в серийном производстве.

Глациология

В ледниковедении и метеорологии абляция – противоположность аккумуляции – относится ко всем процессам, удаляющим снег, лёд или воду с ледника или снежного поля. Абляция включает в себя таяние снега или льда с последующим стоком с ледника, испарение, сублимацию, откол (кальвинг) и эрозионное удаление снега ветром. Температура воздуха обычно является основным фактором, контролирующим абляцию, а осадки оказывают вторичное влияние. В умеренном климате в сезон абляции скорость абляции обычно составляет около 2 мм/ч. Если солнечное излучение является основной причиной абляции снега (например, при низких температурах воздуха и ясной погоде), на поверхности снега могут формироваться характерные текстуры, такие как солнечные чаши и пенитентсы. Абляция может относиться к потере массы с верхней поверхности ледника или к таянию и отколу льда под воздействием океана у края ледника. Абляция может описывать как сами процессы удаления льда и снега, так и количество удаленного льда и снега. Показано, что ледники, покрытые обломками, оказывают значительное влияние на процесс абляции. На поверхности ледников может образовываться тонкий слой обломков, который усиливает процесс абляции под льдом. Части ледника, покрытые обломками и подвергающиеся абляции, подразделяются на три категории: ледяные обрывы, пруды и сами обломки. Эти три секции позволяют учёным измерять количество тепла, поглощаемого покрытой обломками поверхностью, и проводить соответствующие расчёты. Расчёты зависят от площади и количества чистого поглощённого тепла в отношении всей зоны, покрытой обломками. Такие расчёты проводятся для различных ледников, чтобы понять и проанализировать будущие тенденции таяния. Морена (ледниковый мусор) перемещается естественными процессами, обеспечивающими движение материала вниз по склону ледника. Отмечается, что при слишком большом уклоне ледника обломки будут продолжать перемещаться вдоль ледника на большее расстояние. Размеры и расположение ледников варьируются по всему миру, поэтому в зависимости от климата и физической географии состав обломков может различаться. Размер и количество обломков зависят от площади ледника и могут варьироваться от пылевидных частиц до глыб размером с дом. Было проведено множество экспериментов, демонстрирующих влияние обломков на поверхность ледников. Профессор Национального института полярных исследований Ёсиюки Фудзии разработал эксперимент, который показал, что скорость абляции ускоряется под тонким слоем обломков и замедляется под толстым слоем по сравнению с естественной снежной поверхностью. Эта наука имеет важное значение в связи с необходимостью обеспечения долгосрочной доступности водных ресурсов и оценки реакции ледников на изменение климата. Доступность природных ресурсов является основным стимулом для исследований, проводимых в отношении процесса абляции и общего изучения ледников.

In glaciology and meteorology, ablation—the opposite of accumulation—refers to all processes that remove snow, ice, or water from a glacier or snowfield. Ablation refers to the melting of snow or ice that runs off the glacier, evaporation, sublimation, calving, or erosive removal of snow by wind. Air temperature is typically the dominant control of ablation, with precipitation exercising secondary control. In a temperate climate during ablation season, ablation rates typically average around 2 mm/h. Where solar radiation is the dominant cause of snow ablation (e. g., if air temperatures are low under clear skies), characteristic ablation textures such as suncups and penitentes may develop on the snow surface. Ablation can refer to mass loss from the upper surface of a glacier or ocean driven melt and calving on the face of a glacier terminus. Ablation can refer either to the processes removing ice and snow or to the quantity of ice and snow removed. Debris covered glaciers have also been shown to greatly impact the ablation process. There is a thin debris layer that can be located on the top of glaciers that intensifies the ablation process below the ice. The debris covered parts of a glacier that is experiencing ablation are sectioned into three categories which include ice cliffs, ponds, and debris. These three sections allow scientists to measure the heat digested by the debris covered area and is calculated. The calculations are dependent on the area and net absorbed heat amounts in regards to the entire debris covered zones. These types of calculations are done to various glaciers to understand and analyze future patterns of melting. Moraine (glacial debris) is moved by natural processes that allow for down slope movement of materials on the glacier body. It is noted that if the slope of a glacier is too high then the debris will continue to move along the glacier to a further location. The sizes and locations of glaciers vary around the world, so depending on the climate and physical geography the varieties of debris can differ. The size and magnitude of the debris is dependent on the area of glacier and can vary from dust size fragments to blocks as large as a house. There have been many experiments done to demonstrate the effect of debris on the surface of glaciers. Yoshiyuki Fujii, a professor at the National Institute of Polar Research, designed an experiment that showed ablation rate was accelerated under a thin debris layer and was retarded under a thick one as compared with that of a natural snow surface. This science is significant due to the importance of long term availability of water resources and assess glacier response to climate change. Natural resource availability is a major drive behind research conducted in regards to the ablation process and overall study of glaciers.

Покрытия морских поверхностей

Противообрастающие краски и другие сопутствующие покрытия регулярно используются для предотвращения обрастания микроорганизмами и другими животными, такими как ракушки, на подводной части корпусов рекреационных, коммерческих и военных морских судов. Аблативные краски часто применяются для этой цели, чтобы предотвратить разбавление или дезактивацию противообрастающего вещества. Со временем краска будет медленно разрушаться в воде, обнажая свежие противообрастающие соединения на поверхности. Подбор противообрастающих веществ и скорости абляции позволяет обеспечить длительную защиту от негативного воздействия обрастания.

Пассивная противопожарная защита

Продукты огнезащиты и противопожарной защиты могут обладать аблятивными свойствами. Это могут быть эндотермические материалы или, иными словами, материалы, которые являются расходными и истощаются под воздействием огня с течением времени, например, силиконовые составы для пожарной безопасности. При достаточно длительном воздействии огня или высокой температуры эти продукты обугливаются, крошатся и исчезают. Суть заключается в том, чтобы поместить достаточное количество материала на пути распространения огня для поддержания необходимого предела огнестойкости, что подтверждается результатами огневых испытаний. Аблятивные материалы обычно содержат высокую концентрацию органических веществ, которые при воздействии огня превращаются в золу. В случае с силиконом, органическая резина окружает мелкодисперсный порошок диоксида кремния (до 380 м² общей площади поверхности всех частиц порошка на грамм этого порошка). Под воздействием огня органическая резина сгорает до золы, оставляя после себя порошок диоксида кремния, из которого изначально состоял продукт.

Абляция протопланетного диска

Протопланетные диски — это вращающиеся околозвездные диски плотного газа и пыли, окружающие молодые, недавно сформировавшиеся звезды. Вскоре после образования звезды часто сохраняют окружающий материал, гравитационно связанный с ними, формируя примитивные диски, вращающиеся вокруг экватора звезды – не сильно отличающиеся от колец Сатурна. Это происходит потому, что уменьшение радиуса протозвездного вещества в процессе формирования увеличивает угловой момент, в результате чего этот оставшийся материал разгоняется в сплющенный околозвездный диск вокруг звезды. Этот околозвездный диск со временем может превратиться в протопланетный диск – диск газа, пыли, льда и других материалов, из которых могут формироваться планетные системы. В этих дисках вращающееся вещество начинает аккрецировать в более холодной средней плоскости диска, слипаясь из пылевых зерен и льда. Эти небольшие аккреции растут от гальки до камней, затем до ранних планет-младенцев, называемых планетезималями, протопланет и, в конечном итоге, полноценных планет. Поскольку считается, что массивные звезды могут играть роль в запуске звездообразования (например, за счет создания гравитационных неустойчивостей), вполне вероятно, что молодые, менее массивные звезды с дисками могут находиться относительно близко к более старым, массивным звездам. Это уже подтверждено наблюдениями в некоторых скоплениях, например, в скоплении Трапеции. Учитывая, что массивные звезды обычно заканчивают свою жизнь взрывом сверхновой, исследователи сейчас изучают, какую роль сыграет ударная волна такого взрыва и образовавшийся остаток сверхновой (SNR), если она окажется на пути протопланетного диска. Согласно результатам компьютерного моделирования, столкновение SNR с протопланетным диском приведет к значительному испарению диска, в результате чего из диска будет удалено значительное количество протопланетного материала, но диск не обязательно будет полностью разрушен. Это важно, поскольку диск, переживший такое взаимодействие с достаточным количеством вещества для формирования планетной системы, может унаследовать измененный химический состав от SNR, что может повлиять на планетные системы, которые сформируются в дальнейшем.

Protoplanetary disks are rotating circumstellar disks of dense gas and dust surrounding young, newly formed stars. Shortly after star formation, stars often have leftover surrounding material that is still gravitationally bound to them, forming primitive disks that orbit around the star's equator – not too dissimilarly from the rings of Saturn. This occurs because the decrease in the protostellar material's radius during formation increases angular momentum, which means that this remaining material gets whipped into a flattened circumstellar disk around the star. This circumstellar disk may eventually mature into what is referred to as a protoplanetary disk: a disk of gas, dust, ice and other materials from which planetary systems may form. In these disks, orbiting matter starts to accrete in the colder mid plane of the disk from dust grains and ices sticking together. These small accretions grow from pebbles to rocks to early baby planets, called planetesimals, then protoplanets, and eventually, full planets. As it is believed that massive stars may play a role in actively triggering star formation (by introducing gravitational instabilities amongst other factors), it is plausible that young, smaller stars with disks may be living relatively nearby to older, more massive stars. This has already been confirmed through observations to be the case in certain clusters, e. g. in the Trapezium cluster. Since massive stars tend to collapse through supernovae at the end of their lives, research is now investigating what role the shockwave of such an explosion, and the resulting supernova remnant (SNR), would play if it occurred in the line of fire of a protoplanetary disk. According to computationally modelled simulations, a SNR striking a protoplanetary disk would result in significant ablation of the disk, and this ablation would strip a significant amount of protoplanetary material from the disk – but not necessarily destroy the disk entirely. This is an important point because a disk that survives such an interaction with sufficient material leftover to form a planetary system may inherit an altered disk chemistry from the SNR, which could have effects on the planetary systems that later form.

Космические полеты

В конструкции космических аппаратов абляция используется как для охлаждения, так и для защиты механических частей и/или полезной нагрузки, которые в противном случае были бы повреждены экстремально высокими температурами. Два основных применения – тепловые щиты для космических аппаратов, входящих в атмосферу планеты из космоса, и охлаждение сопел ракетных двигателей. Примерами служат командный модуль «Аполлон», защищавший астронавтов от жара при входе в атмосферу, и ракетный двигатель второй ступени «Кестрел», разработанный для использования исключительно в космическом вакууме, поскольку конвекция тепла в таких условиях невозможна. По сути, абляционный материал спроектирован таким образом, чтобы вместо передачи тепла в конструкцию космического аппарата, основную тепловую нагрузку принимала на себя только его внешняя поверхность. Эта поверхность обугливается и сгорает – но достаточно медленно, постепенно обнажая новый, свежий защитный слой. Тепло отводится от космического аппарата газами, образующимися в процессе абляции, и не проникает внутрь материала, благодаря чему металлические и другие чувствительные конструкции, которые он защищает, остаются при безопасной температуре. По мере сгорания и рассеивания в космосе, оставшийся твердый материал продолжает изолировать аппарат от продолжающегося нагрева и перегретых газов. Толщина абляционного слоя рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить его выживание при воздействии тепла в ходе миссии. Существует целая область космических исследований, посвященная поиску новых огнезащитных материалов для достижения оптимальной абляционной эффективности; эта функция критически важна для защиты экипажа и полезной нагрузки космического аппарата от чрезмерной тепловой нагрузки. Та же технология применяется в некоторых системах пассивной пожарной защиты, в ряде случаев одними и теми же производителями, которые предлагают различные версии этих огнезащитных продуктов – как для аэрокосмической отрасли, так и для защиты строительных конструкций от пожара.