Цивилизация
Многие проблемы, связанные с перемешиванием жидкости в микроканалах, можно решить, правильно «организовав» неоднородное скольжение на стенках этих каналов. К такому выводу пришла объединенная группа российских и немецких исследователей, которую возглавила профессор физического факультета Московского государственного университета Ольга Виноградова. Разработанная группой теория была опубликована в последнем номере журнала Physical Review E, импакт-фактор которого составляет 2,3.
Эта работа относится к сфере микрофлюидики — многообещающей и быстро развивающейся междисциплинарной области исследований, изучающей течение жидкости в микроканалах. Микрофлюидика особенно востребована в химии и биомедицинских исследованиях, где возникает необходимость провести химический синтез малых доз вещества или выполнить разделение частиц биоматериала.
«Микрофлюидика лежит в основе так называемых лабораторий на чипе — миниатюрных приборов, позволяющих осуществлять многостадийные химические процессы, включающие химические реакции, перемешивание, концентрирование и сепарацию на одном чипе размером с маленькую монетку, — рассказала Ольга Виноградова. — Такие системы перспективны не только в качестве микрореакторов в синтетической химии, но и в качестве портативных аналитических устройств, например, для диагностики онкологических и инфекционных заболеваний».
Одной из проблем, с которой сталкиваются исследователи при работе с микроканалами, является затрудненное перемешивание жидкостей. Дело в том, что течение в таких каналах является ламинарным, то есть слоистым. При ламинарном течении отсутствует конвекция, поэтому жидкости смешиваются очень медленно, лишь за счет диффузии.
Физикам удалось найти простое решение проблемы, основанное на использовании супергидрофобных поверхностей. Такие поверхности изготавливаются из гидрофобного (водоотталкивающего) материала и при этом являются микрошероховатыми. В результате в углублениях текстуры супергидрофобной поверхности удерживаются микропузырьки воздуха. Наличие такой «воздушной подушки» делает супергидрофобную поверхность очень скользкой.
В данной работе ученые предложили использовать супергидрофобную текстуру в виде параллельных бороздок, повернутых под некоторым углом к оси канала, причем на верхней стенке бороздки были повернуты вправо, а на нижней — влево. Такие бороздки придали стенкам канала анизотропные свойства: вдоль них жидкость течет быстрее, чем поперек. Кроме того, оказалось, что помимо основного потока вдоль оси канала возникает вторичное сдвиговое течение жидкости в поперечном направлении. В результате вблизи стенок жидкость начинает немного закручиваться, подобно тому, как пуля закручивается, двигаясь по нарезному стволу винтовки. Исследуя образовавшийся вихрь, ученые обнаружили очень интересный эффект:
«Если жидкость движется очень медленно, то в канале образуется единый, очень вытянутый поперечный вихрь, — рассказала Татьяна Низкая, соавтор статьи из ИФХЭ РАН. — Однако уже при повышении скорости течения жидкость начинает «заносить» на поворотах».
«На этот вихрь накладывается множество мелких, ограниченных соседними бороздками, то есть в потоке создается искусственная турбулентность, — уточнил Евгений Асмолов, соавтор статьи из ИФХЭ РАН и ЦАГИ. — Такие течения могут оказаться полезными для перемешивания жидкостей или для разделения частиц разного размера».
Вместе с соавторами из Университета Майнца (Германия) было проведено компьютерное моделирование предсказанного эффекта методом диссипативной динамики частиц. Ученые проанализировали траектории движения модельных частиц жидкости в микроканале и изучили зависимость формы и числа вихрей от скорости потока. По результатам моделирования авторы сделали вывод, что существует <4>критическое значение скорости, при котором один большой вихрь разбивается на множество мелких, что в итоге приводит к новому эффективному механизму перемешивания жидкости.
«Уже существуют системы для эффективного перемешивания в микроканалах, основанные на использовании специального «узора» поверхности канала. Например, чтобы закрутить жидкость, специальные препятствия на дне канала располагают «в елочку». При этом вихрь возникает за счет боковых стенок, — резюмировала Татьяна Низкая. — Наш метод намного проще: достаточно лишь взять две супергидрофобные плоскости с полосками газа и повернуть их под углом друг к другу. Кроме того, разбиение вихря на много мелких позволяет осуществлять перемешивание одновременно по всей ширине канала».