Коллектив ученых разработал метод для быстрого и эффективного перемешивания наночастиц, помещенных в жидкость, которая течет по очень тонким каналам микронной толщины. Благодаря новой методике удалось решить проблему перемешивания частиц в системах, в которых ранее оно было или затруднено, или вовсе невозможно. Работу провели сотрудниками Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова. Исследование, открывающее новые перспективы в области создания миниатюрных «лабораторий-на-чипе», опубликовано в журнале Physical Review E.

Проблема, которую решали авторы, хорошо известна в области микрофлюидики — разделе физики о течениях в системах размером порядка микрона: чем тоньше канал, тем большую роль играет вязкое сопротивление жидкости.

«В тонких каналах жидкость не просто требует гораздо большего давления, чтобы ее прокачать, но и очень плохо поддается перемешиванию, так как течение ламинарное, — объясняет Ольга Виноградова. — Например, если вы подадите в канал два потока, окрашенных в разные цвета, они так и будут течь двумя «полосками», не смешиваясь».

Похожая ситуация наблюдается и для броуновских частиц, помещенных в жидкость, например, для синтетических нанообъектов или вирусов: они очень медленно распределяются по сечению канала. Единственный процесс, который заставляет их равномерно перемешаться, — это диффузия, но она идет очень медленно. А без тщательного перемешивания зачастую невозможно провести дальнейшие исследования или анализ таких систем.

«Что нужно в этом случае, так это создать миниатюрный пассивный (то есть без движущихся частей) миксер, который бы эффективно размазывал суспензию частиц по сечению канала. И долгое время все думали, что такой миксер придумать нельзя из-за маленького размера системы. А мы показали, что можно», — добавила Виноградова.

Чтобы добиться нужного эффекта, ученые использовали супергидрофобные поверхности: стенки, в которых на одинаковом расстоянии друг от друга выточены длинные прямоугольные канавки, которые называют «страйпы». Если стенку с такими страйпами повернуть под углом к направлению течения, то жидкость вблизи стенки тоже начнет «поворачивать». В своем исследовании физики показали, что если супергидрофобные поверхности поместить и на верхней и на нижней стенке и соориентировать «крест-накрест», то возникнет особое сдвиговое течение перпендикулярно основному потоку жидкости, которое многократно усилит диффузию частиц в таком канале.

В результате теоретических оценок и компьютерного моделирования описанных систем авторы смогли описать точные параметры таких каналов, а также различные режимы диффузии, которые в них возникают.

«Особо удивительным оказалось то, что благодаря диффузии мы наблюдали даже перемешивание частиц в плоских каналах, у которых очень большое соотношение сторон. Раньше считалось, что в них вообще ничего нельзя перемешать», — отмечает один из соавторов, Евгений Асмолов.

Авторы оптимистично оценивают роль новой работы для микрофлюидики.

«Когда мы победим большую часть проблем, подобных той, что победили сегодня, «лаборатории-на-чипе», которые пока еще остаются уделом единичных исследований, смогут стать повседневной реальностью», — уверены ученые.