Гидродинамики научились управлять «инерционными поездами» из микрочастиц

Y. Gao et al./ Microfluidics an Nanofluidis, 2017

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




Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.