Микрофлюидика магнитоуправляемых активных систем (Этап 1)

В рамках выполнения первого этапа проекта детально рассмотрены процессы формирования, отрыва и динамики немагнитных капель и пузырьков в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле различных конфигурации в каналах различной толщины. Исследования были проведены на образцах магнитной жидкости с различной жидкостью носителем, концентрацией твердой фазы, намагниченностью и вязкостью на специально разработанной установке, включающей комбинированный источник магнитного поля на основе кольцевого постоянного магнита и намагничивающей катушки, подключенной к источнику питания. На основе экспериментов по видеофиксации межфазной границы воздух - МЖ при отрыве воздушного пузырька от воздушной полости, левитирующей в неоднородном магнитном поле, определено, что размер оторвавшегося пузырька прямо пропорционален толщине и обратно пропорционален концентрации магнитной жидкости и силе тока в электромагните. Предложен механизм отрыва пузырька на основе моделирования изолиний модуля напряженности магнитного поля. Установлено, что с помощью управляемого источника магнитного поля регулировать объем пузыря в зависимости от взаимодействия между силами, стабилизирующими пузырек и перемычку. На основании полученных данных сделан вывод о том, что такую систему можно использовать не только для изучения фундаментальных явлений в магнитной гидродинамике магнитожидкостных систем, но и в качестве микродозатора или газового счетчика для приложений микрофлюидики. На данное устройство получен патент на изобретение. Полученные результаты показали, что в неоднородном поле кольцевого магнита возможно формирование активных пузырьков и капель путем инжекции немагнитной фазы в магнитную жидкость, которые содержат немагнитное ядро и оболочку из магнитной жидкости. В ходе экспериментов установлено, что в отличие от метода flow focusing, являющимся одним из основных методов в капельной микрофлюидике, отрыв немагнитных капель и пузырьков происходит не от капилляра, а от левитирующего немагнитного объема. В этом случае левитирующая газовая полость выступает в роли ресивера, позволяя стабилизировать размер отрывающихся пузырьков и увеличить диапазон регулировки. Было исследовано влияние конфигурации магнитного поля на начальную скорость, ускорение и размер активных капель, получаемых путем инжекции немагнитной жидкости в магнитную жидкость. Было установлено, что скорость увеличивается, ускорение снижается, а размер капель уменьшается по мере увеличения силы тока в намагничивающей катушке. Экспериментально установлено явление самоорганизации активных пузырьков, покрытых магнитной жидкостью, которые без поля укладываются несколько беспорядочно, а с полем – образуется упорядочение, напоминающую кристаллическую решетку. Образующиеся активные пузырьки стабильны и не разрушаются с течением времени. Экспериментально установлено, что их размер и толщина оболочки из магнитной жидкости зависят от концентрации магнитной жидкости. При приближении к активным пузырькам мощного неодимового магнита возникает истончение магнитной оболочки пузырьков, что в дальнейшем приводит к разрушению пузырьков для пузырьков с оболочкой из малоконцентрированных МЖ, при этом пузырьки с оболочкой на основе концентрированных магнитных жидкостей не разрушаются в этом случае. Их разрушение происходит только под действием импульсного магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Это создает предпосылки для разработки жидких многослойных капсул, управляемых магнитным полем, которые могут концентрироваться в определенном месте и разрушаться под воздействием импульсного магнитного поля. Экспериментально исследована динамика прямых и обратных эмульсий на основе магнитных жидкостей. Установлено, что с увеличением концентрации исследуемых образцов магнитной жидкости размер капель дисперсной фазы уменьшается, стабильность эмульсии увеличивается с ростом значения силы тока в намагничивающей катушке. В рамках эксперимента установлено, что немагнитные частицы различной плотности могут быть захвачены и перемещаться в магнитной жидкости под действием неоднородного магнитного поля. При этом изменяя конфигурацию магнитного поля можно добиться условий, при которых будет происходить захват только более плотных частиц, менее плотные частицы будут при этом плавать на поверхности МЖ. В среде Python была разработана программа по расчету течений мультикомпонентных систем на основе магнитных жидкостей методом решеточных уравнений Больцмана. Программа реализует классическую схему алгоритма решеточных уравнений Больцмана, в которой для описания кинетики границы раздела фаз, а также взаимной диффузии компонентов, используется уравнение Кана-Хилларда. Производится учет действия сил поверхностного натяжения на межфазной поверхности, а также силы тяжести и пондеромоторных сил, действующих на магнитножидкостную фазу во внешнем неоднородном магнитном поле. Программа допускает выбор необходимых значений физических характеристик фаз: плотности, вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, магнитной восприимчивости, коэффициента диффузии, толщины границы раздела фаз; с возможностью задания произвольных начальных условий на плотности фаз, распределение скоростей и концентраций. Также возможен автоматический подбор оптимальных параметров решетки и шага по времени в зависимости от максимальной скорости течения и времени релаксации. С помощью разработанной программы получены предварительные результаты моделирования динамики капли магнитной жидкости при приложении внешнего неоднородного магнитного поля. В рамках выполнения проекта разработано две технологии изготовления микрофлюидных чипов: на основе спекания сэндвич-структур на основе пленки Parafilm®. и изготовления микроканальной структуры посредством 3D-печати ABSпластика с последующей заливкой двухкомпонентым силиконом. Для проведения исследования динамики немагнитных включений в магнитной жидкости в микроканалах различной формы была изготовлена специализированная экспериментальная установка, включающая микрофлюидный чип и трехканальный шприцевой насос собственной разработки. В ходе проведенных экспериментальных исследований установлено, что в Т- и У- образной конфигурации микрофлюидного чипа в неоднородном поле кольцевого магнита не удается добиться пузырьковых течений. Режим гидродинамической фокусировки является единственной конфигурацией микрофлюидного чипа, при которой образуются пузырьки. Подача немагнитной фазы в область магнитного вакуума позволяет добиться стабильных режимов пузырьковых течений при всех концентрациях магнитной жидкости и конфигурациях магнитного поля. В рамках рассмотрения поведения межфазной границы воздух – магнитная жидкость в момент отрыва пузырька, показано, что определяющее влияние на него оказывает конфигурация магнитного поля. Показано, что для всех комбинаций магнитного поля и концентраций магнитной жидкости размер пузырька уменьшается по мере увеличения расхода магнитной жидкости и увеличивается при увеличении расхода воздуха. При увеличении напряженности магнитного поля и концентрации магнитной жидкости размер пузырька уменьшается, это позволяет организовать бесконтактное управление размером газовых включений, что может найти применения в газовых счетчиках и дозаторах в микрофлюидике.