Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Юлихского исследовательского центра описали механизм возникновения инерционной подъемной силы, действующей на частицы произвольного размера в микроканалах.

Открытие позволит использовать эти процессы, например, для разделения здоровых и раковых клеток.

Объектом пристального внимания ученых стали силы, действующие на частицы в заполненных жидкостью каналах толщиной в несколько микрон.

Поведение частиц зависит от числа Рейнольдса, которое характеризует соотношение инерционных и вязких сил в жидкости. В потоке с конечным числом Рейнольдса на небольшие частицы действует подъемная сила, которая заставляет их двигаться поперек линий тока и «фокусироваться» на определенном расстоянии от стенок канала.

Так как на частицы действуют одновременно несколько сил, их движения сложно описать теоретически и предсказать, как они будут двигаться в конкретном канале.

«Известные на сегодня устройства для инерционного разделения частиц используют довольно широкие каналы», — рассказал старший научный сотрудник НИИ механики МГУ, ведущий научный сотрудник ИФХЭ Евгений Асмолов.

По его словам, проведенное исследование расширяет область применения расчетов на частицы конечного размера в середине микроканала.

Российским ученым также удалось полностью учесть взаимодействие частиц со стенкой и проанализировать, как будут вести себя частицы с различной плотностью.

Теория, полученная учеными, была проверена при помощи компьютерного моделирования, результаты которого показали, что в предельных случаях полученные формулы в точности воспроизводят процессы, описанные ранее другими учеными.

«Мы предсказали, что даже при небольших, порядка десяти, числах Рейнольдса сферические частицы могут, вращаясь, «взлетать», как самолет, над стенкой микроканала», - пояснила соавтор статьи, профессор физического факультета МГУ, заведующая лабораторией ИФХЭ Ольга Виноградова.

Она отметила, что далее эти частицы «летят» на определенной высоте, которая зависит лишь от их плотности и радиуса, выстраиваясь в цепочки. При этом «высота полета» таких цепочек будет разной, даже если размеры или плотность частиц в них отличаются совсем незначительно.

Кроме того, оказалось, что эти цепочки частиц легко разделить в миниатюрных устройствах «лаборатория на чипе».