Описан лифт для частиц в микроканалах

Ученые описали механизм возникновения инерционной подъемной силы, которая действует на частицы произвольного размера в микроканалах. Ранее подобные расчеты были возможны лишь для некоторых частных случаев. Более точное описание позволит использовать эти процессы для сортировки частиц. Исследование сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова, Института физической химии и электрохимии (ИФХЭ) имени А.Н. Фрумкина РАН и Юлихского исследовательского центра в Германии опубликовано в Journal of Fluid Mechanics.

Авторы работы изучали силы, действующие на частицы в заполненных жидкостью каналах толщиной в несколько микрон. Поведение частиц зависит от числа Рейнольдса, которое характеризует соотношение инерционных и вязких сил в жидкости. В потоке с конечным числом Рейнольдса на небольшие частицы действует подъемная сила, вызывающая их движение поперек линий тока и «фокусирующая» их на определенном расстоянии от стенок канала.

Точные расчеты движения частиц помогут использовать микроканалы для сортировки, например, для разделения здоровых и раковых клеток. Из-за того, что на частицы действуют одновременно несколько сил, их движения сложно описать теоретически. Следовательно, сложно и предсказать, как те или иные частицы будут двигаться в конкретном канале. Прошлые исследования в основном описывали простые предельные случаи: движения «точечных» частиц, размером которых можно пренебречь, или частиц, находящихся не в центре канала, а вблизи стенки.

«Инерционная микрофлюидика уже известна и широко используется, но пока лишь при больших числах Рейнольдса, которые сложно реализовать в микроканалах, так как требуется огромное давление для прокачки жидкости, — рассказал один из авторов работы Евгений Асмолов из ИФХЭ РАН. — Поэтому известные на сегодня устройства для инерционного разделения частиц используют довольно широкие каналы».

Новое исследование расширяет область применения расчетов на частицы конечного размера в середине микроканала. Кроме того, авторам удалось полностью учесть взаимодействие частиц со стенкой и проанализировать, как будут вести себя частицы с различной плотностью. Если плотность частицы отличается от плотности жидкости, то помимо подъемной силы на нее также ощутимо влияют сила тяжести и сила Архимеда, что может сильно сместить положение равновесия или даже привести к его исчезновению.

Новую теорию ученые проверили при помощи компьютерного моделирования. Его результаты показали, что в предельных случаях полученные формулы в точности воспроизводят процессы, описанные ранее другими учеными. Помимо этого, физики проанализировали несколько типичных экспериментальных установок и предсказали, как будут вести себя в них различные частицы.

«Мы предсказали, что даже при небольших, порядка десяти, числах Рейнольдса сферические частицы могут, вращаясь, "взлетать", как самолет, над стенкой микроканала, — прокомментировала соавтор статьи, профессор МГУ Ольга Виноградова. — Затем они "летят" на определенной высоте, которая зависит лишь от их плотности и радиуса, выстраиваясь в цепочки. Что особенно важно, "высота полета" таких цепочек будет разной, даже если размеры или плотности частиц в них отличаются совсем незначительно. Эти цепочки частиц легко разделить в миниатюрных устройствах "лаборатория на чипе", а само разделение будет более эффективным, чем в широких каналах и при больших числах Рейнольдса».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.