Модель поведения жидкостей в медицинских устройствах была скорректирована.

Статья опубликована в журнале Physics of Fluids. Исследование было осуществлено при поддержке Министерства науки и высшего образования России.

Анализ процессов тепло- и массообмена на малых пространственных масштабах способствует лучшему пониманию механизмов, отвечающих за движение жидкостей в микроканалах. Это необходимо для разработки устройств, таких как биочипы для анализа ДНК, системы для сепарации клеток, анализа белков и других биомолекул, а также тестирования лекарственных препаратов. Кроме того, это важно для создания химических микрореакторов с каналами диаметром менее одного миллиметра, используемых в фармацевтике для эффективного синтеза химических соединений и проведения сложных реакций.

Основная проблема течений на малых масштабах заключается в высоком сопротивлении твердых стенок, что затрудняет движение жидкости. Одна из задач заключается в увеличении скорости потока и оптимизации его перемешивания. Обычно это достигается механически с помощью насосов, что называется вынужденной конвекцией. Однако с точки зрения экономии энергии и ресурсов более рационально использовать естественную конвекцию, когда движение жидкости инициируется неоднородностью ее плотности. Влияние внешней силы приводит к движению жидкости, способствует интенсивному перемешиванию и ускоряет протекание химических реакций.

Одним из наиболее удобных для исследования устройств является ячейка Хеле-Шоу, представляющая собой тонкий зазор между двумя параллельными пластинами, заполненный жидкостью. Она позволяет применять развитые оптические методы для наблюдения за течением в эксперименте и упрощает процесс решения уравнений. Возможность управления течением играет принципиальную роль для технологических устройств, поэтому в качестве источника энергии для поддержания конвекции используются инерционные силы, действующие на жидкость в вращающемся реакторе Хеле-Шоу. В отличие от силы тяжести, эти силы легко контролируются в экспериментальных условиях.

По устоявшейся теории сила Кориолиса (одна из сил, возникающих в вращающихся системах) может существовать только в трехмерных течениях жидкости. Ученые Пермского Политеха опровергли это утверждение, продемонстрировав, что она также влияет на двумерные течения, если жидкость имеет неоднородную плотность. Влияние этой силы было зафиксировано в экспериментах с вращением системы растворов в реакторе Хеле-Шоу. Тем не менее, ранее использованная теоретическая модель не корректно описывала процесс в таких условиях и требовала доработки.

«Ранее считалось, что сила Кориолиса не влияет на двумерную конвекцию. Учет нового эффекта делает предсказания модели более точными. Во-первых, условия начала конвекции определяются с большей точностью. Во-вторых, особенности течений, которые возникают только под действием силы Кориолиса, теперь имеют теоретическое обоснование и могут быть смоделированы в численных экспериментах. Например, раньше теория не предсказывала наличие спиральности в течениях Хеле-Шоу, хотя это явление было зафиксировано 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. Мы выяснили, что при наличии этой силы возбуждение конвекции замедляется, а уже установленное движение дольше сохраняет упорядоченность во времени и пространстве. Сценарий, по которому система переходит от равновесного состояния к хаотическому, существенно отличается от ранее предсказанного. Можно сказать, что мы исправили фундаментальную неточность в уравнениях двумерной конвекции, что имеет важные последствия как для самой теории, так и для устройств, осуществляющих управление течениями на малых масштабах», – добавляет Владимир Уточкин, ассистент кафедры прикладной физики ПНИПУ.

Исследование ученых ПНИПУ позволило выявить фактор, влияющий на движение жидкости в двумерных полостях. Результаты имеют применение в медицине, фармацевтике и других отраслях, связанных с микрожидкостными устройствами.