Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Вихрь разрезали на дольки

Ключевые слова:  МГУ имени Ломоносова, Микроканалы, Микрофлюидика, Физика

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

17 апреля 2015

Многие проблемы, связанные с перемешиванием жидкости в микроканалах, можно решить, правильно «организовав» неоднородное скольжение на стенках этих каналов. К такому выводу пришла объединенная группа российских и немецких исследователей, которую возглавила профессор физического факультета Московского государственного университета Ольга Виноградова. Разработанная группой теория была опубликована в последнем номере журнала Physical Review E (импакт-фактор – 2,3).

Эта работа относится к сфере микрофлюидики – многообещающей и быстро развивающейся междисциплинарной области исследований, изучающей течение жидкости в микроканалах. Микрофлюидика особенно востребована в химии и биомедицинских исследованиях, где возникает необходимость провести химический синтез малых доз вещества или выполнить разделение частиц биоматериала.

«Микрофлюидика лежит в основе так называемых лабораторий на чипе – миниатюрных приборов, позволяющих осуществлять многостадийные химические процессы, включающие химические реакции, перемешивание, концентрирование и сепарацию на одном чипе размером с маленькую монетку», - говорит Ольга Виноградова. «Такие системы перспективны не только в качестве микрореакторов в синтетической химии, но и в качестве портативных аналитических устройств, например, для диагностики онкологических и инфекционных заболеваний.»

Одной из проблем, с которой сталкиваются исследователи при работе с микроканалами, является затрудненное перемешивание жидкостей. Дело в том, что течение в таких каналах является ламинарным, то есть слоистым. При ламинарном течении отсутствует конвекция, поэтому жидкости смешиваются очень медленно, лишь за счет диффузии.

Физикам удалось найти простое решение проблемы, основанное на использовании супергидрофобных поверхностей. Такие поверхности изготавливаются из гидрофобного (водоотталкивающего) материала и при этом являются микрошероховатыми. В результате в углублениях текстуры супергидрофобной поверхности удерживаются микропузырьки воздуха. Наличие такой «воздушной подушки» делает супергидрофобную поверхность очень скользкой. В данной работе ученые предложили использовать супергидрофобную текстуру в виде параллельных бороздок, повернутых под некоторым углом к оси канала, причем на верхней стенке бороздки были повернуты вправо, а на нижней - влево. Такие бороздки придали стенкам канала анизотропные свойства: вдоль них жидкость течет быстрее, чем поперек. Кроме того, оказалось, что помимо основного потока вдоль оси канала возникает вторичное сдвиговое течение жидкости в поперечном направлении. В результате вблизи стенок жидкость начинает немного закручиваться, подобно тому, как пуля закручивается, двигаясь по нарезному стволу винтовки. Исследуя образовавшийся вихрь, ученые обнаружили очень интересный эффект:

«Если жидкость движется очень медленно, то в канале образуется единый, очень вытянутый поперечный вихрь,» - сообщила Татьяна Низкая, соавтор статьи из ИФХЭ РАН. – «Однако уже при повышении скорости течения жидкость начинает «заносить» на поворотах».

«На этот вихрь накладывается множество мелких, ограниченных соседними бороздками, то есть в потоке создается «искусственная турбулентность» - уточнил Евгений Асмолов, соавтор статьи из ИФХЭ РАН и ЦАГИ. - «Такие течения могут оказаться полезными для перемешивания жидкостей или для разделения частиц разного размера».

Вместе с соавторами из Университета Майнца (Германия) было проведено компьютерное моделирование предсказанного эффекта методом диссипативной динамики частиц. Ученые проанализировали траектории движения модельных частиц жидкости в микроканале и изучили зависимость формы и числа вихрей от скорости потока. По результатам моделирования авторы сделали вывод, что существует критическое значение скорости, при котором один большой вихрь разбивается на множество мелких, что в итоге приводит к новому эффективному механизму перемешивания жидкости.

«Уже существуют системы для эффективного перемешивания в микроканалах, основанные на использовании специального «узора» поверхности канала. Например, чтобы закрутить жидкость, специальные препятствия на дне канала располагают «в ёлочку». При этом вихрь возникает за счет боковых стенок.» - говорит Татьяна Низкая. – Наш метод намного проще: достаточно лишь взять две супергидрофобные плоскости с полосками газа и повернуть их под углом друг к другу. Кроме того, разбиение вихря на много мелких позволяет осуществлять перемешивание одновременно по всей ширине канала».





Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Икра
Икра

Наносистемы: физика, химия, математика (2018, том 9, № 3)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume9/9-3
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Химпром Startup Challenge 2018
Фонд «Сколково» и одно из ключевых предприятий отечественной химической индустрии компания «Химпром» объявили об отборе проектов для совместной акселерационной программы, которая пройдет при поддержке Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.

SCAMT Workshop Week - практическая летняя школа
SCAMT Workshop Week (SWW) - это уникальный новый формат летней школы: за 1 неделю у тебя будет возможность сделать научный проект в одной из самых современных областей нанотехнологий и освоить новые практические навыки.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2018 году
Коллектив авторов
Защиты квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 4, 5, 6, 7 и 8 июня 2018 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут в аудитории 221 корпуса Б.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре 2017/2018 учебного года. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ-2014, которая состоялась 22-23 января 2018 года.

Материалы к защитам квалификационных работ магистров на ФНМ МГУ в 2018 году

22-25 мая 2018 года в аудитории 235 лабораторного корпуса Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ (начало в 11:00).

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.