Teoretikere beskrev en inertiel løft af partikler i mikrokanaler

En gruppe forskere fra MSU, Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry fra det russiske videnskabsakademi, og Juelich Research Center har beskrevet mekanismen for udseende af en inertiel løftekraft, der virker på partikler af begrænsede størrelser i mikrokanaler. Sådanne beregninger var tidligere kun mulige i nogle specifikke tilfælde. En mere præcis beskrivelse giver mulighed for at bruge denne inertialløft til partikelsortering. Undersøgelsen blev offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics .

Forfatterne af værket studerede de kræfter, der virker på partiklerne i mikrokanaler. Partiklernes adfærd afhænger af Reynolds -tallet, som er forholdet mellem inerti og viskøse kræfter i en væske. Ved endelig Reynolds migrerer små partikler over strømlinjerne til nogle ligevægtspositioner i mikrokanaler. Denne migration tilskrives virkningen af ​​inertielle løftekræfter.

Præcise beregninger af partikelmigrationer i mikrokanaler hjælper med at bruge dem til at sortere raske celler fra kræftceller. Da der samtidig virker flere kræfter på partiklerne, deres migrationer er vanskelige at fortolke teoretisk. Tidligere undersøgelser behandlede kun nogle enkle specifikke tilfælde, såsom migration af punktlignende partikler, hvis størrelse ignoreres, eller partikler af endelig størrelse, der translaterer i nærheden af ​​en enkelt væg.

"Inertielle mikrofluidika er almindeligt kendt og brugt, men indtil videre kun ved høje Reynolds -tal, forhold, der er vanskelige at generere i mikrokanaler, da pumpning af væsken kræver et stort trykfald. Derfor anvender moderne anordninger til inertial partikelseparation ret brede kanaler, "sagde Evgeny Asmolov, medforfatter til værket, seniorforsker ved Institut for Mekanik, MSU, og førende forskningsassistent for IPCE.

Det nye studie foreslår en mere generel teori, som beskriver et hydrodynamisk løft af partikler af begrænset størrelse i mikrokanaler. Derudover det lykkedes forfatterne at redegøre for partikel-væg-interaktionen og analysere adfærd for partikler med forskellig densitet. Hvis en partikels tæthed adskiller sig fra en væskes, løftekraften vil blive afbalanceret af tyngdekraften og den flydende kraft. Disse to ekstra kræfter kan flytte ligevægtspositionerne eller endda forårsage deres forsvinden.

Forskerne validerede den nye teori ved hjælp af computersimuleringer. Ifølge deres resultater, nye formler vender sig til opnået tidligere i tilsvarende begrænsende tilfælde. I øvrigt, fysikerne analyserede flere typiske eksperimentelle indstillinger for at forudsige partiklers adfærd.

"Ifølge vores forudsigelser, selv ved lave Reynolds -tal, sfæriske partikler kan tage af ved at rotere fra væggene i en mikrokanal, som fly. De flyver derefter i visse afstande fra væggene, som kun afhænger af deres tæthed og radius, ved at danne kæder. Disse kæder af partikler kan let adskilles i lab-on-a-chip-enheder, og fraktioneringen i dette tilfælde er mere effektiv end i brede kanaler og ved høje Reynolds -tal, "sagde Olga Vinogradova, medforfatter til værket, professor ved Det Fysiske Fakultet, MSU, og laboratorieleder hos IPCE.