Коллектив физиков из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл обнаружил, что диффузией в тонких каналах «микролабораторий» можно управлять, изменяя только соотношение сторон канала, независимо от прочих параметров системы. Такой эффект позволил поделить микроканалы на «толстые» и «тонкие», в которых растворенные вещества по-разному распространяются под действием течения. Исследование опубликовано в Science.

«Лаборатории-на-чипе», проектируемые в рамках раздела физики под названием микрофлюидика, набирают все большую популярность в качестве портативных медицинских устройств следующего поколения. В таких системах проложены сотни микро-трубочек для жидкости, подобно тому как в электронных чипах проложены проводящие дорожки для электрических сигналов. За счет такой конструкции микрофлюидные устройства позволяют проводить большое количество биологических анализов параллельно, за короткое время и с минимальными объемами образцов.

Эволюция концентрации растворенного вещества в «толстых» и «тонких» микрофлюидных каналах. Изображение: Manuchehr Aminian et al. / Science

Авторы изучали то, как растворенные вещества распространяются по микроканалам под действием течения жидкости. При этом ученые использовали несколько разных типов трубочек: прямоугольного и эллиптического сечения и с различным соотношением сторон (aspect ratio, как у мониторов или телевизоров).

«Толстый» эллиптический и «тонкий» прямоугольный каналы и соответствующие профили концентраций в них. Изображение: Manuchehr Aminian et al. / Science

В результате экспериментов и компьютерного моделирования оказалось, что в передней части «тонких» каналах (с соотношением сторон много меньше единицы) наблюдался яркий пик концентрации растворенного вещества с длинным затухающим «хвостом». При этих же условиях в «толстых» каналах (почти квадратных или круглых) все было наоборот: концентрация плавно нарастала, достигая яркого пика ближе к задней части канала.

Согласно аналитической теории, разработанной авторами, профили концентраций в самом деле зависят только от соотношения сторон и безразмерной комбинации прочих параметров системы (числа Пекле). Существуют также «золотые соотношения», определяющие переход от одного режима диффузии к другому, то есть от «тонких» каналов к «толстым».

Ученые полагают, что их работа станет важным фактором при проектировании микрофлюидных устройств для анализа растворимых образцов. Действительно, зачастую в этой области задачи диффузии и перемешивания приходится решать нетрадиционными средствами: за счет необычной формы канала, как в новой работе, микрорельефа стенок или использования дополнительных воздействий, к примеру, акустических.

Автор: Тарас Молотилин