Теоретики описали «инерционный лифт» частиц в микроканалах

Группа учёных из МГУ имени М.В.Ломоносова, Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Юлихского исследовательского центра описала механизм возникновения инерционной подъёмной силы, действующей на частицы произвольного размера в микроканалах. Ранее подобные расчёты были возможны лишь для частных случаев. Более точное описание позволит использовать эти процессы для сортировки частиц. Исследование 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 подъёмная сила, вызывающая их движение поперек линий тока и «фокусирующая» их на определённом расстоянии от стенок канала.

Точные расчёты движения частиц помогут использовать микроканалы для сортировки, например, для разделения здоровых и раковых клетки. Из-за того, что на частицы действуют одновременно несколько сил, их движения сложно описать теоретически, а значит, 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. Поэтому известные на сегодня устройства для инерционного разделения частиц используют довольно широкие каналы», — рассказал один из авторов работы, старший научный сотрудник НИИ механики МГУ, ведущий научный сотрудник ИФХЭ Евгений Асмолов.

Новое исследование расширяет область применения расчётов 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 подъёмной силы на неё также ощутимо влияют сила тяжести и сила Архимеда, что может сильно сместить положение равновесия или даже привести к его исчезновению.

Новую теорию учёные проверили при помощи компьютерного моделирования. Его результаты показали, что в предельных случаях полученные формулы в точности воспроизводят процессы, описанные ранее другими учёными. 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 самолёт, над стенкой микроканала. Затем они “летят” на определённой высоте, которая зависит лишь от их плотности и радиуса, выстраиваясь в цепочки. Что особенно важно, “высота полёта” 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», — прокомментировала соавтор статьи, профессор физического факультета МГУ, заведующая лабораторией ИФХЭ Ольга Виноградова.

Фото: Подъёмная и гравитационная силы, действующие на частицу в микроканале. Источник: Александр Дубов (соавтор исследования).