Відкориговано модель поведінки рідин у пристроях, що використовуються в медицині.

Стаття опублікована у журналі Physics of Fluids. Робота виконана за підтримки Міністерства науки та вищої освіти Росії.

Вивчення процесів тепло- і масообміну на малих просторових масштабах дозволяє краще розуміти механізми, відповідальні за рух рідин у мікроканалах. Це необхідно для розробки пристроїв, до яких відносять біочіпи для аналізу ДНК, пристрої для сепарації клітин, аналізу білків та інших біомолекул, тестування лікарських препаратів. А також для створення хімічних мікрореакторів з каналами діаметром менше одного міліметра. Їх використовують у фармацевтиці для ефективного синтезу хімічних сполук і проведення складних реакцій.

Основна проблема течій на малих масштабах – високе опір твердых стінок, яке ускладнює рух рідини. Одна з задач полягає в підвищенні швидкості потоку та оптимізації його змішування. Зазвичай це здійснюється механічно за допомогою насосів, що називається вимушеною конвекцією. Проте з точки зору енергозбереження та збереження ресурсів раціональніше використовувати природну, коли рух рідини викликане неоднорідністю її густини. Вплив зовнішньої сили приводить її в рух, сприяє інтенсивному змішуванню та прискорює протікання хімічних реакцій.

Одне з найбільш зручних для дослідження пристроїв – осередок Хеле-Шоу, заповнений рідиною тонкий зазор між двома паралельними пластинами. Він дозволяє використовувати розвинені оптичні методи спостереження за течією в експерименті та спростити процедуру розв'язання рівнянь. Принципову роль для технологічних пристроїв відіграє можливість управління течією, тому в якості джерела енергії для підтримання конвекції використовуються сили інерції, що діють на рідину в обертовому реакторі Хеле-Шоу. На відміну від сили тяжіння, їх легко контролювати в експерименті.

Згідно з усталеною теорією, сила Кориоліса (одна з сил, що виникають у обертових системах) може існувати лише в тривимірних течіях рідини. Науковці Пермського Політеху спростували цю заяву, показавши, що вона також впливає на двомірні течії, якщо рідина неоднорідна за густиною. Вплив цієї сили спостерігався в експериментах з обертанням системи розчинів у реакторі Хеле-Шоу. Однак використана раніше теоретична модель некоректно описувала процес в таких умовах і потребувала розвитку.

«Раніше вважалося, що сила Кориоліса не вносить внеску в двомірну конвекцію. Урахування нового ефекту робить прогнози моделі коректними. По-перше, точніше визначаються умови початку конвекції. По-друге, особливості течій, що виникають лише під дією сили Кориоліса, тепер мають теоретичне пояснення і можуть бути змодельовані в чисельному експерименті. Наприклад, раніше теорія не передбачала наявності спіральності у течій Хеле-Шоу, хоча це явище спостерігалося в експерименті», – коментує Дмитро Брацун, завідувач кафедри прикладної фізики ПНІПУ, доктор фізико-математичних наук.

«Ще однією важливою властивістю ефекту Кориоліса є його стабілізуючий вплив на рідину. Нам вдалося з'ясувати, що за наявності цієї сили збудження конвекції сповільнюється, а вже розвинений рух довше залишається упорядкованим у часі та просторі. Сценарій, за яким система переходить від рівноважного стану до хаотичного, суттєво відрізняється від передбаченого раніше. Можна сказати, ми виправили фундаментальну неточність у рівняннях двомірної конвекції, що має важливі наслідки як для самої теорії, так і для пристроїв, що здійснюють управління течіями на малих масштабах», – доповнює Володимир Уточкін, асистент кафедри прикладної фізики ПНІПУ.

Дослідження науковців ПНІПУ дозволило виявити фактор, що впливає на рух рідини в двомірних порожнинах. Результати застосовні в медицині, фармацевтиці та інших галузях, пов'язаних з мікрожидкостними пристроями.