Все новости

Российские ученые уточнили теорию течения жидкости в тонких каналах

Группа российских исследователей разработала новую теорию, описывающую течение жидкости вдоль поверхности под воздействием электрического поля, сообщается на сайте МГУ.
Течение жидкости через капилляр или пористую преграду под действием электрического поля называется электроосмосом. Этот эффект был открыт в 1807 году профессором Московского университета Фердинандом Рейссом в ходе довольно простого эксперимента. В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиваться.

Теоретически описать процесс электроосмоса смог польский физик Мариан Смолуховский в 1909 году. Теперь оказалось, что его теория описывает лишь частный случай, когда вода течет по гидрофильной, то есть хорошо смачиваемой поверхности. В этом случае на процесс влияет прилипание жидкости к поверхности. Однако в случае гидрофобной поверхности нужно учитывать в расчетах не его, а электро-гидродинамическое условие скольжения: около заряженной поверхности в растворе образуется облако ионов противоположного знака, которое и является причиной возникновения электроосмотического течения.

Здесь возможны два варианта: когда поверхностные заряды неподвижны и когда они могут перемещаться вдоль поверхности под воздействием приложенного электрического поля. В случае с неподвижными зарядами все относительно просто: благодаря гидрофобному скольжению скорость электроосмотического течения увеличивается. Когда же поверхностный заряд способен реагировать на приложенное электрическое поле, возникают различные варианты. Например, в статье показано, что можно индуцировать электроосмотическое течение даже вблизи незаряженной поверхности или, наоборот, полностью подавить такое течение в каналах с идеально скользкими заряженными стенками.

Эти результаты востребованы в микро- и нанофлюидике, которые имеют дело с течением жидкости сквозь очень тонкие каналы, и созданием таких устройств, как «лаборатории на чипе». Заставить жидкость проходить через каналы в подобных устройствах с помощью механического воздействия сложно, и в таких задачах как раз используется электроосмотическое течение.

Статья Ольги Виноградовой, профессора МГУ и заведующей лабораторией Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, с результатами работы опубликована в журнале Physical Review Letters.