Фізики знайшли чехівський сюжет у мікрофлюїдиці

Колектив фізиків з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл виявив, що дифузією в тонких каналах «мікролабораторій» можна керувати, змінюючи тільки співвідношення сторін каналу, незалежно від інших параметрів системи. Такий ефект дозволив поділити мікроканали на «товсті» і «тонкі», в яких розчинені речовини по-різному поширюються під дією течії. Дослідження опубліковано в «.Лабораторії-на-чіпі», проектовані в рамках розділу фізики під назвою мікрофлюїдика, набирають все більшої популярності в якості портативних медичних пристроїв наступного покоління. У таких системах прокладені сотні мікро-трубочок для рідини, подібно тому як в електронних чіпах прокладені провідні доріжки для електричних сигналів. За рахунок такої конструкції мікрофлюїдні пристрої дозволяють проводити велику кількість біологічних аналізів паралельно, за короткий час і з мінімальними обсягами зразків. Автори вивчали те, як розчинені речовини поширюються мікроканалами під дією течії рідини. При цьому вчені використовували кілька різних типів трубочок: прямокутного і еліптичного перерізу і з різним співвідношенням сторін (aspect ratio, як у моніторів або телевізорів).

У результаті експериментів і комп'ютерного моделювання виявилося, що в передній частині «тонких» каналах (зі співвідношенням сторін багато менше одиниці) спостерігався яскравий пік концентрації розчиненої речовини з довгим загасаючим «хвостом». За цих же умов у «товстих» каналах (майже квадратних або круглих) все було навпаки: концентрація плавно наростала, досягаючи яскравого піку ближче до задньої частини каналу. Згідно з аналітичною теорією, розробленою авторами, профілі концентрацій насправді залежать тільки від співвідношення сторін і безрозмірної комбінації інших параметрів системи (числа Пекле). Існують також «золоті співвідношення», що визначають перехід від одного режиму дифузії до іншого, тобто від «тонких» каналів до «товстих». Вчені вважають, що їх робота стане важливим фактором при проектуванні мікрофлюїдних пристроїв для аналізу розчинних зразків. Дійсно, найчастіше в цій області завдання дифузії і перемішування доводиться вирішувати нетрадиційними засобами: за рахунок незвичайної форми каналу, як у новій роботі, мікрорельєфа стінок або використання додаткових впливів, наприклад, акустичних.