УПРАВЛЕНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СМЕШИВАЕМЫХ И НЕСМЕШИВАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ В МИКРО- И НАНОКАНАЛАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Объектами исследования являются новые типы неустойчивостей границы раздела смешиваемых и несмешиваемых жидкостей в микро- и наноканалах под воздействием постоянного и переменного электрических полей. Целью настоящего проекта является поиск новых методов и механизмов перемешивания жидкостей в микромасштабах для дальнейшей их практической реализации в лабораториях на чипах с целью решения проблем медицинских и химических анализов в подобных устройствах. Необходимость данного исследования возникла из-за того, что, несмотря на малые числа Рейнольдса в микромасштабах, жидкость под действием электрического поля показывает весьма сложное поведение вплоть до стохастического, причем теоретических исследований в этой области явно недостаточно, чтобы предложить универсальные способы перемешивания жидкостей, ведь разные наборы жидкостей проявляют себя порой существенно по-разному. Методология исследования. Основным методом решения задач стало прямое численное моделирование, хорошо зарекомендовавшее себя в задачах микрофлюидики. Другим подходом к решению задачи было аналитическое исследование с учетом некоторых упрощений. Результаты выполнения проекта: В рамках проекта были детально исследованы три направления: смешивание проводящей и непроводящей несмешивающихся жидкостей; смешивание двух непроводящих смешивающихся жидкостей; смешивание двух проводящих смешивающихся жидкостей. Для каждого их этих случаев были выделены и детально изучены специфические механизмы, приводящие к неустойчивостям и формированию сложных периодических и стохастических режимов. Для первого направления был исследован механизм неустойчивости типа Тонкса-Френкеля для высокочастотных электрических полей, вызванный возмущением заряда на границе раздела. В рамках второго направления был получен механизм неустойчивости типа Фарадея, который реализуется из-за неоднородности диэлектрической проницаемости сред. И в рамках третьего направления была изучена конфигурация с плоским и точечным источниками более проводящей жидкости, которая впрыскивалась в менее проводящую. В подобной конфигурации за источником вдоль по потоку распространяется след более проводящей жидкости, который имеет автомодельную природу и может быть неустойчивым под действием достаточно большого электрического поля. Данный тип неустойчивости вызван наличием градиента проводимости и ранее уже был предсказан другими авторами, однако в конфигурации с источником данная задача рассмотрена впервые. Каждое из направлений исследования было проведено в тесном сотрудничестве с французскими коллегами. По первому направлению проведены детальные экспериментальные работы во второй год выполнения проекта. По двум другим направлениям из-за пандемии удалось провести только предварительные эксперименты, однако было проведено сравнение с экспериментальными работами других авторов, которое показало хорошее соответствие с нашими теоретическими предсказаниями. Значимость проекта. Результаты выполнения проекта могут служить фундаментальной основой для разработок новых типов микромиксеров, которые будут эффективно работать в лабораториях на чипах для решения проблем медицинской диагностики и химического анализа. На данный момент существует множество экспериментальных работ, однако явно не хватает теоретических исследований, которые могли бы описать и структурировать все эти работы. Результаты выполнения данного проекта как раз призваны заполнить этот пробел.