 |
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: 143
Страна: Россия
| Учёные раскрыли двойной характер горения алюминиевой пыли, ТГУ, 21:17, 28.01.2026, Россия |
187 |
| Специалисты Тольяттинского государственного университета (ТГУ) установили, что поведение пламени в облаках алюминиевой пыли зависит не только от состава смеси, но и от размера частиц, который определяет один из двух принципиально разных режимов горения. |
 |
| Летальность выше, чем у ковида: ученые Пермского Политеха рассказали о новой вспышке индийского вируса Нипах, ПНИПУ, 21:15, 28.01.2026, Россия |
22 |
| В Индии происходит вспышка вируса Нипах, подтверждено 5 случаев заражения, один — с летальным исходом. Ученые ПНИПУ рассказали, в чем заключается главная опасность вируса, с чем можно спутать его симптомы, страшнее ли он, чем COVID-19, может ли Нипах стать причиной следующей пандемии и угрожает ли россиянам. |
|
| «Круги Громова» представили первое в России исследование по выбору коннекторов для интеграции с 1С, Круги Громова, 22:17, 27.01.2026, Россия |
139 |
| Исследование охватывает пять наиболее популярных коннекторов на российском рынке – Экстрактор 1С, ATK BiView, БИТ:Коннектор BI-систем к 1С, Коннектор с 1С:Предприятие от VK Tech и Универсальный транслятор данных 1С – а также анализирует традиционные методы подключения, такие как обмен структурированными файлами, OData, REST-сервисы, SQL-запросы и прямое подключение через COM. |
|
| Тренд на 2016 год: ученые Пермского Политеха объяснили, что стоит за этой ностальгией, ПНИПУ, 22:16, 27.01.2026, Россия |
137 |
| В этом январе опубликовано уже свыше 37 миллионов постов в социальных сетях под хэштегом #2016. Ученые Пермского Политеха объяснили, что значит этот тренд, почему он распространен именно среди зумеров, откуда он взялся, и как на это повлияли ИИ-контент, культура и политическая обстановка. |
|
| Наука для чистого воздуха, ТГУ, 22:10, 27.01.2026, Россия |
26 |
| Исследователи из Тольяттинского государственного университета и центра робототехники «Аиралаб Рус» представили новый подход к мониторингу и прогнозированию качества атмосферного воздуха в городах. |
 |
| ТГУ делает QR-коды неуязвимыми для подделок, ТГУ, 21:11, 27.01.2026, Россия |
37 |
| Учёные Тольяттинского государственного университета разработали инновационный метод создания нефальсифицируемых двумерных кодов с использованием систем прецизионной лазерной маркировки. |
 |
|
|
