Физики перемешали наночастицы в микрофлюидных каналах

Коллектив ученых разработал метод для быстрого и эффективного перемешивания наночастиц, помещенных в жидкость, которая течет по очень тонким каналам микронной толщины. Благодаря новой методике удалось решить проблему перемешивания частиц в системах, в которых ранее оно было или затруднено, или вовсе невозможно. Работу провели сотрудниками Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и МГУ имени М.В. Ломоносова. Исследование, открывающее новые перспективы в области создания миниатюрных «лабораторий на чипе», опубликовано в журнале Physical Review E.

Проблема, которую решали авторы, хорошо известна в области микрофлюидики — разделе физики о течениях в системах размером порядка микрона: чем тоньше канал, тем большую роль играет вязкое сопротивление жидкости. «В тонких каналах жидкость не просто требует гораздо большего давления, чтобы ее прокачать, но и очень плохо поддается перемешиванию, так как течение ламинарное, — объясняет Ольга Виноградова. — Например, если вы подадите в канал два потока, окрашенных в разные цвета, они так и будут течь двумя "полосками", не смешиваясь».

Похожая ситуация наблюдается и для броуновских частиц, помещенных в жидкость, например, для синтетических нанообъектов или вирусов: они очень медленно распределяются по сечению канала. Единственный процесс, который заставляет их равномерно перемешаться, — это диффузия, но она идет очень медленно. А без тщательного перемешивания зачастую невозможно провести дальнейшие исследования или анализ таких систем. «Что нужно в этом случае, так это создать миниатюрный пассивный (то есть без движущихся частей) миксер, который бы эффективно размазывал суспензию частиц по сечению канала. И долгое время все думали, что такой миксер придумать нельзя из-за маленького размера системы. А мы показали, что можно», — добавила Виноградова.

Чтобы добиться нужного эффекта, ученые использовали супергидрофобные поверхности: стенки, в которых на одинаковом расстоянии друг от друга выточены длинные прямоугольные канавки, которые называют «страйпы». Если стенку с такими страйпами повернуть под углом к направлению течения, то жидкость вблизи стенки тоже начнет «поворачивать». В своем исследовании физики показали, что если супергидрофобные поверхности поместить и на верхней и на нижней стенке и соориентировать «крест-накрест», то возникнет особое сдвиговое течение перпендикулярно основному потоку жидкости, которое многократно усилит диффузию частиц в таком канале.

В результате теоретических оценок и компьютерного моделирования описанных систем авторы смогли описать точные параметры таких каналов, а также различные режимы диффузии, которые в них возникают. «Особо удивительным оказалось то, что благодаря диффузии мы наблюдали даже перемешивание частиц в плоских каналах, у которых очень большое соотношение сторон. Раньше считалось, что в них вообще ничего нельзя перемешать», — отмечает один из соавторов, Евгений Асмолов.

Авторы оптимистично оценивают роль новой работы для микрофлюидики. «Когда мы победим большую часть проблем, подобных той, что победили сегодня, "лаборатории на чипе", которые пока еще остаются уделом единичных исследований, смогут стать повседневной реальностью», — уверены ученые.

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.