Гидродинамики научились управлять «инерционными поездами» из микрочастиц
В инерционных потоках в микроканалах частицы образуют самоупорядоченные массивы в виде «поездов». Группа гидродинамиков из Франции детально изучила процесс формирования таких «поездов» и показала что ими можно управлять, изменяя скорость потока и концентрацию частиц. Результаты работы опубликованы в Microfluidics and Nanofluidics.
Инерционная фокусировка сферических частиц — явление, наблюдаемое в каналах, по которым жидкость движется с достаточно большой скоростью, так что ее течение определяется не только вязкостью, но и инерцией. Это приводит к тому, что все частицы, которые плывут по этому каналу, двигаются не по случайным траекториям, а фокусируются на определенном расстоянии от стенки. Для точечных частиц в большинстве каналов равновесное положение находится на расстоянии около четверти ширины (или диаметра) канала от стенки.
Если изначально (а работы с первыми наблюдениями инерционной фокусировки частиц были опубликованы еще в 60-е годы XX века) это явление наблюдалось для достаточно широких каналов и больших размеров частиц, то в последнее время инерционная фокусировка опять привлекла внимание исследователей в связи с бурным развития микрофлюидики. Оказалось, что в микроканалах такой эффект может быть использован для управления движением микрочастиц и, например, разделения их на фракции по размерам.
Недавно ученые обнаружили, что в некоторых случаях уже после фокусировки частицы начинают самоупорядочиваться и образовывать похожие структуры с фиксированным расстоянием друг между другом, которые и назвали «поездами». Однако до настоящего дня оставалось непонятным, в каких случаях происходит образование таких «поездов» и от чего зависят их свойства.
В своей новой работе группа французских гидродинамиков детально изучила процесс образования самоупорядоченных «поездов» в микроканале и показала, каким образом им можно управлять. Для этого они провели эксперимент в канале квадратного сечения с шириной стороны 80 микрон, запустив в нем суспензию полистирольных сферических частиц размером 5 или 9 микрон. Для того чтобы уравнять плотности частиц и жидкости, в качестве несущей среды была использована смесь воды и глицерина.
Оказалось, что процесс формирования «поезда » всегда происходит уже после того, как частицы сфокусировались по вертикали. Расстояние между частицами в образовавшихся упорядоченных структурах составляет примерно от 10 до 350 процентов от радиуса частицы. При этом скорость формирования «поезда» и его свойства определяются числом Рейнольдса частицы — отношением инерционных и вязких сил, действующих на нее со стороны жидкости. Так, большие числа Рейнольдса ускоряют процесс формирования упорядоченного массива, но при этом ведут к уменьшению доли упорядоченных частиц. Также с увеличением числа Рейнольдса растет и равновесное расстояние между частицами. При этом концентрация суспензии почти не влияет на процесс и просто должна быть не слишком большой, чтобы все частицы могли двигаться на нужном расстоянии друг от друга.
Ученым удалось показать, что при оптимальном подборе параметров можно добиться того, что 80 процентов частиц будут самоупорядочиваться и формировать «поезда». Полученные результаты открывают действительно широкие перспективы для дальнейшего использования инерционной фокусировки в микрофлюидных устройствах. С помощью предложенного метода можно не только разделять полидисперсную суспензию на отдельные фракции, но и, например, контролировать концентрацию частиц на выходе из канала.
Инерционная микрофлиюдика — один из наиболее перспективных методов для медицинского анализа в микрофлюидике, но далеко не единственный. Например, недавно ученые разработали методы акустической микрофлюидики для выделения из пробы крови раковых клеток или экзосом.
Александр Дубов
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».
