 | | 1. Dr Sławomir Jakieła z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie
podczas pomiaru prędkości przepływu mikrokropel w układzie
mikrofluidycznym. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski) |
W środowisku fizyków panuje zgodna opinia, że zjawiska związane z
przepływem laminarnym zostały już dobrze poznane i szczegółowo opisane
od strony teoretycznej. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie
zaobserwowano jednak, że krople substancji chemicznych, płynące w cieczy
nośnej wewnątrz kanalików w niektórych układach mikrofluidycznych, nie
zawsze zachowują się zgodnie z oczekiwaniami.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN)
w Warszawie odkryli nowe zjawisko związane z dynamiką płynów. Pojawia
się ono podczas przepływu drobnych kropel przez niektóre układy
mikrofluidyczne. "Zaobserwowany przez naszą grupę efekt jest związany ze
zmianami wirów wewnątrz mikrokropelek i na razie nie jest przewidywany
przez modele teoretyczne", mówi dr Sławomir Jakieła z IChF PAN. Wyniki
badań, realizowanych dzięki grantowi TEAM Fundacji na rzecz Nauki
Polskiej, opublikowano właśnie w prestiżowym czasopiśmie fizycznym
"Physical Review Letters".
Układy mikroprzepływowe to miniaturowe reaktory chemiczne rozmiarów
karty kredytowej, a nawet mniejszych. Wewnątrz układów, przez kanaliki o
średnicach rzędu dziesiątych lub setnych części milimetra, płynie
laminarnie ciecz nośna (najczęściej olej), w której unoszą się
mikrokrople właściwych substancji chemicznych.
"Za pomocą jednego układu mikroprzepływowego już dziś można
przeprowadzić nawet kilkadziesiąt tysięcy różnych reakcji chemicznych
dziennie. W przyszłości układy te staną się dla chemii tym, czym dla
elektroniki okazały się układy scalone. Jednak zanim zbudujemy
urządzenia chemiczne równie rewolucyjne jak krzemowe mikroprocesory,
musimy dokładnie poznać wszystkie zjawiska fizyczne zachodzące podczas
przepływu mikrokropel", stwierdza dr Jakieła.
Przepływy, z którymi spotykamy się na co dzień, są często zdominowane
przez bezwładność i turbulencje. Przy małych objętościach, typowych dla
układów mikrofluidycznych, przepływ cieczy jest laminarny i rządzą nim
efekty związane z lepkością.
Prędkość oleju płynącego laminarnie w mikrokanalikach nie jest
jednorodna. Najwolniej poruszają się warstwy przy ściankach, najszybciej
- te znajdujące się w pobliżu środka kanału. "Jeśli mikrokropla jest
wyraźnie mniejsza od średnicy kanału, może się ulokować w centralnej
części przepływu. Jej prędkość jest wtedy nawet dwukrotnie większa od
średniej prędkości przepływu oleju. To nic zaskakującego. Podobny efekt
obserwujemy choćby w rzekach: przy brzegach nurt jest dużo wolniejszy
niż pośrodku", wyjaśnia doktorantka Sylwia Makulska z IChF PAN.
 | | 2. Kropla substancji chemicznej (czerwony) płynąca przez mikrokanał o
przekroju prostokątnym nie wypełnia go w całości. Ciecz nośna
(niebieski) opływa kroplę wzdłuż narożników kanału. Przekroje poniżej
przedstawiają widok kropli wzdłuż osi kanału oraz prostopadle do niej i
obrazują, jak zmienia się rozkład wirów wewnątrz kropel wraz ze wzrostem
prędkości cieczy nośnej. (Źródło: IChF PAN) |
Jeśli dostateczne duża kropla płynie przez kanalik o przekroju
kolistym, wypełnia jego całe światło. Prędkość kropli jest wtedy taka
sama jak prędkość przepływu oleju. Sytuacja staje się znacznie
ciekawsza, gdy kropla znajduje się w kanaliku o przekroju prostokątnym.
Wskutek napięcia powierzchniowego mikrokropla pozostaje zaokrąglona. Nie
wypełnia więc całego przekroju kanału i w jego narożnikach nadal płynie
olej.
Zespół z IChF PAN wytwarzał mikrokrople z mieszaniny wody i gliceryny,
o różnych stężeniach, a co za tym idzie o różnej lepkości. Płynęły one w
oleju (heksadekanie) przez kanał długości 10 cm, o przekroju
prostokątnym. Badacze mierzyli prędkość przepływu mikrokropel względem
oleju w zależności od ich objętości (długości w mikrokanale), lepkości
kropel i oleju oraz prędkości przepływu cieczy nośnej.
Gdy krople miały lepkość mniejszą lub porównywalną z lepkością cieczy
nośnej, prędkość ich ruchu względem oleju okazała się maleć wraz ze
wzrostem długości kropli, lecz tylko w pewnym zakresie. Krople poruszały
się najwolniej, gdy ich długość była dwu-, trzykrotnie większa od
szerokości kanału. "Minimum prędkości względnej kropli w stosunku do
oleju pojawiało się zawsze. Wszystko wydawało się być zgodne z
oczekiwaniami teoretyków", mówi Jakieła.
Naprawdę ciekawe rzeczy zaczęły się dziać, gdy badacze zaczęli zmieniać
prędkość przepływu oleju. Okazało się, że wraz ze wzrostem tej prędkości
minimum prędkości względnej kropli względem oleju zanikało. Lecz gdy
prędkość oleju dalej zwiększano, minimum pojawiało się ponownie -
głębsze i szersze. "Mówiąc prościej: odkryliśmy, że w zależności od
prędkości przepływu oleju, kropla tej samej długości może płynąć w
jednych warunkach szybciej względem oleju, a w innych wolniej", wyjaśnia
Jakieła.
Aby sprawdzić, skąd wynika zaskakujące zachowanie mikrokropel, naukowcy
z IChF PAN wprowadzili do nich znaczniki fluorescencyjne rozmiaru kilku
mikrometrów. Gdy krople przepływały przez mikrokanał, oświetlano je
laserem, który pobudzał znaczniki do świecenia. Dzięki temu można było
obserwować ruchy płynu wewnątrz kropel.
Pomiary ujawniły, że gdy wzrasta prędkość cieczy nośnej, rozkład wirów
wewnątrz kropli zaczyna się zmieniać. "Spodziewaliśmy się zmian, ale
dotychczasowe teorie sugerowały, że liczba wirów w mikrokroplach będzie
tym mniejsza, im szybciej płynie olej. Tymczasem my zaobserwowaliśmy
zjawisko odwrotne: im szybciej płynął olej, tym w kropli było więcej
wirów. Przyroda kolejny raz sprawiła psikusa teoretykom", stwierdza
prof. nzw. dr hab. Piotr Garstecki z IChF PAN.
W Instytucie Chemii Fizycznej PAN ruszyły już pierwsze prace
zmierzające do wykorzystania nowego zjawiska w procesach związanych z
mieszaniem zawartości mikrokropel w układach mikrofluidycznych.
Więcej: Discontinuous Transition in a Laminar Fluid Flow: A Change of Flow
Topology inside a Droplet Moving in a Micron-Size Channel; Slawomir
Jakiela, Piotr M. Korczyk, Sylwia Makulska, Olgierd Cybulski, Piotr
Garstecki; DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.134501. | 
