Эта работа относится к области микрофлюидики, которая является многообещающей и быстро развивающейся междисциплинарной областью исследований, изучающей течение жидкости в микроканалах.
Микрофлюидика особенно востребована в химии и биомедицинских исследованиях, где есть необходимость проводить химический синтез малых доз вещества или проводить разделение частиц биоматериала.
«Микрогидродинамика составляет основу так называемых устройств Lab-on-a-Chip (LOC), которые представляют собой миниатюрные устройства, позволяющие выполнять многоступенчатые химические процессы, включая химические реакции, смешивание, концентрацию и разделение, на чипе размером с небольшой чип. монета, – говорит Ольга Виноградова.
По словам Виноградовой, такие системы перспективны не только в качестве микрореакторов в синтетической химии, но и в качестве портативных аналитических приборов, т. Е.грамм., для диагностики онкологических и инфекционных заболеваний. Трудности со смешиванием жидкостей – одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются исследователи, работающие с микроканалами.
Дело в том, что течение в таких каналах ламинарное (i.е. слоистый). При ламинарном потоке нет конвекции, поэтому жидкости перемешиваются очень медленно, только за счет диффузии. Физикам удалось найти изощренное решение проблемы, основанное на использовании супергидрофобных поверхностей. Такие поверхности изготавливаются из водоотталкивающего материала.
Более того, они микрошероховатые.
В результате микропузырьки воздуха задерживаются в углублениях супергидрофобной текстуры поверхности. Такая «воздушная подушка» делает супергидрофобную поверхность очень скользкой.
В данной работе исследователи предложили использовать супергидрофобную текстуру в виде параллельных канавок, наклоненных под определенным углом к оси канала, при этом на верхней стенке канавки повернуты вправо, а внизу – к оси канала. левый. Такие канавки придают стенкам канала анизотропные характеристики, поскольку жидкость течет по ним быстрее, чем в поперечном направлении.
Более того, оказалось, что помимо основного потока в канале существует вторичный сдвиговый поток жидкости в поперечном направлении к оси канала. В результате жидкость начинает слегка катиться у стенок так же, как вращается пуля, двигаясь по нарезному стволу винтовки.
«Если жидкость движется очень медленно, то в каналах образуется очень вытянутый поперечный вихрь», – говорит Татьяна Низкая, соавтор статьи, работающая в A.N. Институт физической химии и электрохимии им. Фрумкина.
Однако с увеличением скорости потока жидкости жидкость начинает «скользить вбок» на поворотах.’
По словам соавтора статьи Евгения Асмолова, работающего в А.N. Фрумкина и ЦАГИ, на этот вихрь накладываются более мелкие, ограниченные соседними бороздками.
Это означает, что в потоке образуется искусственная турбулентность.
«Такие потоки могут быть полезны для смешивания жидкостей или для разделения частиц разного размера», – добавляет Евгений Асмолов.
Российские ученые с коллегами из Университета Майнца (Германия) провели компьютерное моделирование предсказанного эффекта методом диссипативной динамики частиц.
Они проанализировали траекторию движения модели жидких частиц в микроканале и исследовали зависимость формы и количества вихрей от скорости потока.
По результатам моделирования авторы пришли к выводу, что существует критическая скорость, при которой один большой вихрь распадается на множество мелких, что в конечном итоге приводит к новому эффективному механизму перемешивания жидкостей.
«Системы для эффективного микширования в микроканалах, основанные на использовании особого« рисунка »поверхности канала, уже существуют. Например, для закручивания жидкости конкретные препятствия на дне канала имеют рисунок в елочку.
На этот раз вихрь возникает из-за боковых стенок ”, – говорит Татьяна Низкая. «Наш метод намного проще, поскольку вы просто берете две супергидрофобные плоскости с газовыми полосками и вращаете их под углом друг к другу.
Кроме того, разделение вихря на множество более мелких позволяет одновременно перемешивать по ширине канала.’