Разница в солености воды спровоцировала появление «пробок» из микрочастиц

Sangwoo Shin et al./ Physical Review X, 2017

Американские физики показали, что разница солености двух сливающихся потоков в системе из микроканалов может приводить к забиванию микроканалов частицами. В работе, опубликованной в Physical Review X, ученые описали этот эффект и показали, как его можно использовать, например, для биологических приложений.

Частицы, которые движутся вместе с жидкостью по тонким каналам (это могут быть как естественные системы, например, при нефтедобыче, так и искусственные микрофлюидные устройства для биоанализа), могут оказывать довольно сильное влияние на течение жидкости. Если частицы слишком большие, то течение может изменяться за счет чисто гидродинамических эффектов, например, в результате вращения или миграции частицы поперек потока. Если же частички достаточно маленькие, но их много, то они могут оказывать влияние на поток за счет движения и перераспределения внутри канала под действием каких-то внешних сил. Одной из таких сил может быть градиент концентрации соли, который возникает при слиянии двух потоков разной «солености». В этом случае из-за диффузиофореза — перемещения частиц под действием градиента концентрации соли в жидкости — частицы перераспределяются очень неравномерно, и в некоторых случаях даже могут забивать каналы, мешая течению жидкости. Такие ситуации нередки как в естественных условиях, так и в микрофлюидных чипах.

Для того, чтобы точно описать этот эффект и научиться избегать нежелательного забивания пор твердыми частицами, группа американских физиков под руководством Санвоо Шина (Sangwoo Shin) из Гавайского университета в Маноа исследовала систему, в которой более соленый поток вливается в менее соленый. Оба потока при этом переносят большое количество небольших частиц. В такой системе в месте стыка двух микроканалов возникает сильная неоднородность концентраций соли, что приводит к поляризации электрического двойного слоя из ионов вокруг каждой переносимой частицы. В результате частица начинает двигаться по градиенту концентрации, и на стыке микроканалов, где разница концентраций соли самая большая, частицы постепенно начинают накапливаться.

Ученые рассмотрели два микроканала толщиной около 400 микрон, соединенных под прямым углом, так что на стыке один поток просто вливается в другой. В своем эксперименте авторы работы использовали полистирольные шарообразные частицы размером от 50 до 500 нанометров, которые переносятся водным раствором поваренной соли разных концентраций (от 0 до 10 миллимоль на литр).

Оказалось, что при этом образуется такой градиент концентрации соли, что некоторые частицы начинают двигаться даже против потока. В результате частицы собираются на месте стыка и быстро начинают приближаться к максимальной плотности упаковки. В конце концов в отдельных случаях это приводит к забиванию пор. Что интересно, забивание пор происходит, даже если размер частиц на два порядка меньше размера поры, и от размера зависит только механизм «забивания»: если частицы большого размера (10 процентов от толщины канала) сами очень быстро плотно закупоривают канал, то более маленькие частицы сначала образуют прочные агрегаты, которые не разрушаются, даже если сменить направление течения на противоположное.

Для более детального исследования этого эффекта ученые также провели численный расчет задачи с помощью моделирования уравнений Навье-Стокса с учетом диффузии частиц и растворенной в жидкости соли. В результате ученым удалось обнаружить, что миграция частиц внутри канала происходит в устойчивом режиме, и поведение системы можно предсказать с помощью системы уравнений, связывающих диффузиоосмос с течением жидкости.

По словам ученых, такое закупоривание тонких каналов может быть использовано и в полезных целях. Например, на его основе можно разработать специальные биомембраны для работы с некоторыми микроорганизмами, устройства для сортировки ДНК, а также с его помощью можно предотвратить распространение бактерий в организме человека.

Диффузиоосмос, как и другие электрокинетические явления, можно использовать в микроканалах и для полезных целей. В частности, ученые предлагают использовать электроосмос — близкое по своей природе явление для того, чтобы сортировать в тонких каналах частицы по размерам. А электрофорез уже очень активно используется для эффективного разделения биомолекул, в частности ДНК, в микрофлюидных устройствах.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.