В ПНИПУ скорректировали модель поведения течений в микрожидкостных устройствах

Микрожидкостные чипы — это устройства с очень маленькими каналами, размером в несколько микрометров. Они используются в разных областях, где нужно точно контролировать движение маленьких объемов жидкости.

Например, при создании ценных химических веществ, доставке питательных веществ к клеткам или транспортировке лекарств по тонким капиллярам.

Ученые из Пермского Политеха обнаружили новый механизм, который влияет на течение жидкости в таких устройствах. Это поможет сделать моделирование более точным и улучшить работу микрожидкостных чипов.

В рамках национального проекта «Наука и университеты» выделяются средства на поддержку ученых и создание научных центров с хорошими условиями для исследований.

Изучение процессов тепло- и массообмена на малых расстояниях помогает понять, как движутся жидкости в очень маленьких трубочках. Это нужно для создания разных полезных устройств. Например, биочипов, которые помогают анализировать ДНК, или приборов для разделения клеток и изучения белков и других важных молекул. Также это важно для проверки лекарств.

Еще это поможет создавать маленькие химические реакторы с каналами меньше 1 миллиметра. Их используют в фармацевтике, чтобы эффективно создавать новые химические соединения и проводить сложные реакции.

Проблема течений на малых масштабах связана с тем, что жидкость плохо перемещается из-за высокого сопротивления твердых стенок. Нужно сделать так, чтобы она двигалась быстрее и перемешивалась лучше.

Обычно для этого используют насосы, которые заставляют жидкость двигаться. Это называется вынужденной конвекцией. Но есть другой способ — естественная конвекция. В этом случае жидкость движется сама из-за того, что ее плотность неоднородна. Внешняя сила помогает жидкости перемещаться, и это способствует быстрому перемешиванию и ускорению химических реакций.

Ячейка Хеле-Шоу — это устройство, которое удобно для исследований. Оно представляет собой две параллельные пластины с тонким зазором между ними, заполненные жидкостью. Это позволяет ученым использовать оптические методы для наблюдения за течением в эксперименте и упрощает решение уравнений.

Для технологических устройств важно управлять течением жидкости. Поэтому ученые используют силы инерции, которые действуют на жидкость во вращающемся реакторе Хеле-Шоу. Эти силы легко контролировать в эксперименте, в отличие от силы тяжести.

Сила Кориолиса обычно действует только в трехмерных потоках жидкости. Но ученые из Пермского Политеха доказали, что она влияет и на двумерные течения, если жидкость неоднородна по плотности.

Это было обнаружено в экспериментах с вращением системы растворов в специальном реакторе. Однако прежняя теоретическая модель не могла точно описать этот процесс в таких условиях. Поэтому ее нужно доработать.

Раньше ученые думали, что одно явление не влияет на движение жидкости или газа в двух измерениях. Но оказалось, что это не так.

Если учесть это явление, то можно точнее предсказать, когда начнется движение жидкости или газа. Также можно объяснить и смоделировать некоторые особенности этого движения, которые возникают только при наличии этого явления.

Например, раньше теория не могла предсказать, что потоки жидкости или газа будут закручиваться определенным образом. Но это явление было замечено в ходе экспериментов, – комментирует Дмитрий Брацун, заведующий кафедрой прикладной физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Эффект Кориолиса обладает еще одним важным свойством: он помогает жидкости быть более стабильной. Мы обнаружили, что благодаря этому эффекту замедляется появление конвекции, а уже возникшее движение дольше остается упорядоченным. Раньше считалось, что система переходит из равновесного состояния в хаотическое по одному сценарию. Но мы нашли фундаментальную ошибку в уравнениях двумерной конвекции и исправили ее. Это исправление важно как для самой теории, так и для устройств, которые управляют течениями на малых масштабах, – дополняет Владимир Уточкин, ассистент кафедры прикладной физики ПНИПУ.

Исследование ученых ПНИПУ позволило выявить фактор, влияющий на движение жидкости в двумерных полостях. Результаты применимы в медицине, фармацевтике и других отраслях, связанных с микрожидкостными устройствами.

Ранее ученые сообщили о создании микрожидкостного чипа для блокирования вспышек гриппа.

11.12.2024