Ученые МГУ имени М.В. Ломоносова, Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Юлихского исследовательского центра раскрыли механизм инерционной подъемной силы для частиц любого размера в микроканалах. Ранние расчеты охватывали лишь частные ситуации. Уточненная модель открывает перспективы для эффективной сортировки частиц.
Силы в микропотоке
Исследователи проанализировали силы, воздействующие на частицы в заполненных жидкостью микроканалах. Поведение частиц определяется числом Рейнольдса, отражающим баланс инерционных и вязких сил. При конечном значении этого числа возникает подъемная сила, перемещающая мелкие частицы поперек потока и "фокусирующая" их на определенной дистанции от стенок.
Проблема предсказания и предельные случаи
Точный расчет траекторий частиц критичен для использования микроканалов в сортировке, например, для разделения здоровых и раковых клеток. Одновременное действие множества сил затрудняет теоретическое описание и прогнозирование движения. Предыдущие исследования фокусировались на предельных случаях: движении пренебрежимо малых "точечных" частиц или частиц у стенки канала.
Ограничения существующих методов
"Инерционная микрофлюидика известна и применяется, но пока только при больших числах Рейнольдса, которые сложно достичь в микроканалах из-за необходимости высокого давления для прокачки жидкости. Поэтому современные устройства для инерционного разделения используют довольно широкие каналы", — пояснил Евгений Асмолов, старший научный сотрудник НИИ механики МГУ, ведущий научный сотрудник ИФХЭ РАН.
Расширение возможностей расчетов
Новое исследование распространяет расчеты на частицы конечного размера в центре микроканала. Ученые также полностью учли взаимодействие частиц со стенкой и проанализировали поведение частиц разной плотности. Отличие плотности частицы от плотности жидкости приводит к заметному влиянию силы тяжести и силы Архимеда, что может сместить или устранить положение равновесия.
Проверка теории моделированием
Теория была успешно проверена компьютерным моделированием. Результаты показали, что в предельных случаях новые формулы точно воспроизводят ранее описанные процессы. Физики также проанализировали типичные экспериментальные установки и предсказали поведение в них различных частиц.
Эффект микролифта и перспективы разделения
"Мы предсказали, что даже при малых числах Рейнольдса, порядка десяти, сферические частицы могут, вращаясь, "взлетать" над стенкой микроканала, подобно самолету. Затем они "летят" на определенной высоте, зависящей только от их плотности и радиуса, формируя цепочки. Ключевой момент: "высота полета" цепочек будет различной даже при незначительных отличиях в размере или плотности частиц. Эти цепочки легко разделить на микрочипах, а само разделение станет эффективнее, чем в широких каналах при больших числах Рейнольдса", — прокомментировала Ольга Виноградова, профессор МГУ, заведующая лабораторией ИФХЭ РАН.
Изображение: Подъемная и гравитационная силы, действующие на частицу в микроканале.
Источник: scientificrussia.ru
