 |
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: 212
Страна: Россия
| Ученый Пермского Политеха рассказал, когда ждать Оленью Луну, ПНИПУ, 07:31, 05.08.2026, Россия |
23 |
| С 28 по 29 июля на небе взойдет Оленья Луна – полнолуние, которое ежегодно приходится на середину лета. О том, как атмосфера влияет на цвет, как название связано с коренными народами Северной Америки и почему спутник будет казаться полным целых две ночи, рассказал ученый ПНИПУ. |
|
| Инженеры «Швабе» предложили новые подходы для совершенствования радаров и систем связи нового поколения, Холдинг «Швабе» Госкорпорация Ростех, 07:13, 05.08.2026, Россия |
20 |
| Специалисты холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех прорабатывают новые решения для преодоления одного из ключевых ограничений современных радаров и систем связи. Они позволят эффективнее принимать и обрабатывать большие объемы данных на высоких частотах, что необходимо для создания более быстрых и точных радиолокационных комплексов, а также систем спутниковой и мобильной связи нового поколения. |
|
| Ученые Пермского Политеха развеяли 7 популярных мифов о загаре, ПНИПУ, 15:16, 03.08.2026, Россия |
140 |
| Наступило лето, а значит мы все подвергаемся более интенсивному воздействию солнечных лучей. Ученые Пермского Политеха рассказали, правда ли ультрафиолет лечит акне, как работает автозагар, можно ли использовать масло вместо защитного крема и как сметана и кефир могут усугубить солнечный ожог. |
|
| Ученая Пермского Политеха назвала 7 самых агрессивных сорняков на даче и рассказала, как с ними бороться, ПНИПУ, 15:02, 03.08.2026, Россия |
35 |
| 23 июля в России отмечается День дачника. Ученая ПНИПУ назвала семь самых агрессивных растений, которые распространены во всех регионах нашей страны, и рассказала, какой урон они наносят культурам, что помогает им размножаться с такой силой, как с ними бороться и можно ли извлечь из них пользу. |
|
|
|
