Выявлена причина потери устойчивости раствора электролита, заключенного между двумя мембранами

Ученые МГУ объяснили, что изменение течений в растворе, проводящем электрический ток, зависит от температуры. Результаты исследования опубликованы в журнале Doklady Physics.

Изучена устойчивость состояния равновесия горизонтального слоя раствора электролита между полупроницаемыми мембранами при наличии поперечного электрического поля. Электролиты — это вещества, проводящие электрический ток, так как они диссоциируют в растворе на ионы. Полупроницаемые мембраны способны пропускать растворитель (воду), но являются барьером для ионов.

Ранее было известно, что начиная с определенной напряженности внешнего поля система теряет устойчивость. Это проявляется в усилении потока ионов поперек слоя. Этот факт предсказан теоретически, установлен экспериментально и подтвержден численными расчетами. Однако, теоретический порог неустойчивости оказывался несколько большим, чем экспериментальный.

«Мы рассмотрели ранее не учитывавщийся в теории фактор, связанный с выделением тепла при движении ионов в электрическом поле. Обнаружено, что учет температурного фактора существенно уменьшает соответствующие критические числа наступления неустойчивости, и порог неустойчивости снижается. Таким образом, мы объяснили, почему неустойчивость в системе возникает быстрее, чем предполагалось ранее», — рассказывает Николай Никитин, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией общей аэродинамики МГУ.

Работа проводилась в тесном сотрудничестве сотрудников МГУ и сотрудников Кубанского госуниверситета. Задача рассмотрена на базе уравнений Нернста–Пуассона–Стокса, описывающих медленные движения раствора электролита в электрическом поле. Система уравнений имеет стационарное решение. Его устойчивость рассчитывается численно путем решения линеаризованных уравнений.

«Полученный результат дает возможное объяснение имеющегося расхождения между теорией и экспериментом в исследованях явлений, происходящих в микрозазорах между полупроницаемыми мембранами. Эти явления в последнее время привлекают большое внимание в связи с быстрым развитием микро-, нано- и биотехнологий. Среди многочисленных современных приложений стоит отметить микронасосы, биологические мембраны и клетки, результаты могут применяться в фармацевтической промышленности, медицинской диагностике и областях, связанных с изготовлением микрочипов», — говорит Николай Никитин.