Ученые Пермского Политеха скорректировали модель поведения течений в микрожидкостных устройствах, применяемых в медицине

Микрожидкостные чипы с каналами размером порядка нескольких микрометров применяются в тех отраслях, где необходимо тщательно контролировать движение малых объемов жидкости. Сюда относится синтез ценных химических субстанций, доставка питательных веществ к клеточным культурам, транспортировка лекарственных препаратов по тонким капиллярам.

Ученые Пермского Политеха выявили ранее неизвестный механизм, влияющий на
течение жидкости в таких конструкциях. Это позволит увеличить точность
моделирования и сделать такие чипы эффективнее.
Статья опубликована в журнале «Physics of Fluids» № 9 за 2024 год. Работа
выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской
Федерации (Проект № FSNM- 2023-0003).

Изучение процессов тепло- и массообмена на малых пространственных масштабах
позволяет лучше понимать механизмы, ответственные за движение жидкостей в
микроканалах. Это нужно для разработки устройств, к которым относят биочипы для
анализа ДНК, устройства для сепарации клеток, анализа белков и других биомолекул,
тестирования лекарственных препаратов. А также для создания химических
микрореакторов с каналами диаметром менее 1 мм. Их используют в фармацевтике для
эффективного синтеза химических соединений и проведения сложных реакций.

Основная проблема течений на малых масштабах – высокое сопротивление твердых
стенок, которое затрудняет движение жидкости. Одна из задач состоит в повышении
скорости потока и оптимизации ее перемешивания. Обычно его осуществляют
механически с помощью насосов, что называется вынужденной конвекцией. Однако с
точки зрения энерго- и ресурсосбережения рациональнее использовать естественную,
когда движение жидкости вызвано неоднородностью ее плотности. Воздействие
внешней силы приводит ее в движение, способствует интенсивному перемешиванию и
ускоряет протекание химических реакций.

Одно из наиболее удобных для исследования устройств – ячейка Хеле-Шоу,
заполненный жидкостью тонкий зазор между двумя параллельными пластинами. Она
позволяет использовать развитые оптические методы наблюдения за течением в
эксперименте и упростить процедуру решения уравнений. Принципиальную роль для
технологических устройств играет возможность управления течением, поэтому в
качестве источника энергии для поддержания конвекции используются силы инерции,
действующие на жидкость во вращающемся реакторе Хеле-Шоу. В отличие от силы
тяжести они легко контролируются в эксперименте.

Согласно устоявшейся теории сила Кориолиса (одна из сил, возникающих во
вращающихся системах) может существовать только в трехмерных течениях жидкости.
Ученые Пермского Политеха опровергли это утверждение, показав, что она вносит
свой вклад и в двумерные течения, если жидкость неоднородна по плотности.
Влияние данной силы наблюдалось в экспериментах с вращением системы растворов в
реакторе Хеле-Шоу. Однако использованная ранее теоретическая модель некорректно
описывала процесс в таких условиях и нуждалась в развитии.

– Ранее считалось, что сила Кориолиса не вносит вклада в двумерную конвекцию.
Учет нового эффекта делает предсказания модели корректными. Во-первых, точнее
определяются условия начала конвекции. Во-вторых, особенности течений,
возникающие только при действии силы Кориолиса, теперь имеют теоретическое
объяснение и могут быть смоделированы в численном эксперименте. Например, ранее
теория не предсказывала наличие спиральности у течений Хеле-Шоу, хотя это
явление наблюдалось в эксперименте, ¬– комментирует Дмитрий Брацун, заведующий
кафедрой прикладной физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

– Еще одно важное свойство эффекта Кориолиса заключается в его
стабилизирующем влиянии на жидкость. Нам удалось выяснить, что при наличии этой
силы возбуждение конвекции замедляется, а уже развитое движение дольше остается
упорядоченным во времени и пространстве. Сценарий, по которому система идет от
равновесного состояния к хаотическому, существенно отличается от предсказанного
ранее. Можно сказать, мы исправили фундаментальную неточность в уравнениях
двумерной конвекции, что имеет важные следствия как для самой теории, так и для
устройств, осуществляющих управление 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.