|
|
 |
|
|
 |
Ученые Пермского Политеха скорректировали модель поведения течений в микрожидкостных устройствах, применяемых в медицине
Микрожидкостные чипы с каналами размером несколько мкм применяются в синтезе ценных химических субстанций, доставке питательных веществ к клеточным культурам, транспортировке лекарственных препаратов по тонким капиллярам и т.д. Ученые ПНИПУ выявили ранее неизвестный механизм, влияющий на течение жидкости в таких конструкциях. Это позволит увеличить точность моделирования и сделать такие чипы эффективнее.
Статья опубликована в журнале «Physics of Fluids» № 9 за 2024 год. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Проект № FSNM- 2023-0003).
Изучение процессов тепло- и массообмена на малых пространственных масштабах позволяет лучше понимать механизмы, ответственные за движение жидкостей в микроканалах. Это нужно для разработки устройств, к которым относят биочипы для анализа ДНК, устройства для сепарации клеток, анализа белков и других биомолекул, тестирования лекарственных препаратов. А также для создания химических микрореакторов с каналами диаметром менее 1 мм. Их используют в фармацевтике для эффективного синтеза химических соединений и проведения сложных реакций.
Основная проблема течений на малых масштабах – высокое сопротивление твердых стенок, которое затрудняет движение жидкости. Одна из задач состоит в повышении скорости потока и оптимизации ее перемешивания. Обычно его осуществляют механически с помощью насосов, что называется вынужденной конвекцией. Однако с точки зрения энерго- и ресурсосбережения рациональнее использовать естественную, когда движение жидкости вызвано неоднородностью ее плотности. Воздействие внешней силы приводит ее в движение, способствует интенсивному перемешиванию и ускоряет протекание химических реакций.
Одно из наиболее удобных для исследования устройств – ячейка Хеле-Шоу, заполненный жидкостью тонкий зазор между двумя параллельными пластинами. Она позволяет использовать развитые оптические методы наблюдения за течением в эксперименте и упростить процедуру решения уравнений. Принципиальную роль для технологических устройств играет возможность управления течением, поэтому в качестве источника энергии для поддержания конвекции используются силы инерции, действующие на жидкость во вращающемся реакторе Хеле-Шоу. В отличие от силы тяжести они легко контролируются в эксперименте.
Согласно устоявшейся теории сила Кориолиса (одна из сил, возникающих во вращающихся системах) может существовать только в трехмерных течениях жидкости. Ученые Пермского Политеха опровергли это утверждение, показав, что она вносит свой вклад и в двумерные течения, если жидкость неоднородна по плотности. Влияние данной силы наблюдалось в экспериментах с вращением системы растворов в реакторе Хеле-Шоу. Однако использованная ранее теоретическая модель некорректно описывала процесс в таких условиях и нуждалась в развитии.
– Ранее считалось, что сила Кориолиса не вносит вклада в двумерную конвекцию. Учет нового эффекта делает предсказания модели корректными. Во-первых, точнее определяются условия начала конвекции. Во-вторых, особенности течений, возникающие только при действии силы Кориолиса, теперь имеют теоретическое объяснение и могут быть смоделированы в численном эксперименте. Например, ранее теория не предсказывала наличие спиральности у течений Хеле-Шоу, хотя это явление наблюдалось 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. Нам удалось выяснить, что при наличии этой силы возбуждение конвекции замедляется, а уже развитое движение дольше остается упорядоченным во времени и пространстве. Сценарий, по которому система идет от равновесного состояния к хаотическому, существенно отличается от предсказанного ранее. Можно сказать, мы исправили фундаментальную неточность в уравнениях двумерной конвекции, что имеет важные следствия как для самой теории, так и для устройств, осуществляющих управление течениями на малых масштабах, – дополняет Владимир Уточкин, ассистент кафедры прикладной физики ПНИПУ.
Исследование ученых ПНИПУ позволило выявить фактор, влияющий на движение жидкости в двумерных полостях. Результаты применимы в медицине, фармацевтике и других отраслях, связанных с микрожидкостными устройствами.
Контактное лицо: Алина Юрьевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 04:17, 07.12.2024
Количество просмотров: 44
Страна: Россия
| Исследование ученых Пермского Политеха улучшит долговечность 3D-изделий, ПНИПУ, 04:25, 18.12.2024, Россия |
13 |
| Аддитивные технологии широко используются в тяжелом машиностроении и позволяют создавать очень точные и сложные конструкции, что невозможно при традиционных методах. Однако неравномерные свойства этих материалов снижают срок их службы, поэтому изменения нужно отслеживать. Ученые ПНИПУ расширили экспериментальную базу программ жизненного цикла 3D-изделий, чтобы обеспечить их качество и долговечность. |
|
| Ученые Пермского Политеха улучшили модель беспламенного горения в двигателях, ПНИПУ, 03:43, 18.12.2024, Россия |
25 |
| Турбулентные завихрения, возникающие внутри авиадвигателя, перемешивают кислород с топливом, что увеличивает скорость реакции горения. Моделирование этих процессов может предсказать поведение материалов и улучшить работу двигателя. Ученые Пермского Политеха выяснили, какой показатель турбулентности корректно использовать для построения модели. |
 |
| Дан старт проекту «Наука от Первых»: площадка для прямого диалога науки, бизнеса и власти, Пресс-служба, 03:35, 18.12.2024, |
16 |
| 10 декабря 2024 года в Москве состоялся торжественный запуск проекта «Наука от Первых», ставший важным шагом на пути к объединению усилий науки, бизнеса и государства. Цель данного амбициозного проекта заключается в интеграции передовых научно-технологических решений в реальный сектор экономики России, что должно способствовать устойчивому развитию и технологическому прогрессу в стране. |
|
| Ученые Пермского Политеха предложили модель для оптимизации гибки стальных листов, ПНИПУ, 04:36, 12.12.2024, Россия |
550 |
| В строительстве часто используют холодную гибку: металлу под давлением придают определенную форму без применения высоких температур. Однако если неправильно задать условия процесса, то можно получить некачественную деталь. Ученые Пермского Политеха предложили модель для оптимизации этого метода, что поможет подобрать лучшие режимы изготовления. |
 |
|
|
|
|
|
|
Разделы //
Новости по странам //
Сегодня у нас публикуются //
|
|
