En grupp forskare från MSU, Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry vid Ryska vetenskapsakademin, och Juelich Research Center har beskrivit mekanismen för uppkomsten av en tröghetslyftkraft som verkar på ändliga partiklar i mikrokanaler. Sådana beräkningar var tidigare endast möjliga för vissa specifika fall. En mer exakt beskrivning gör att man kan använda detta tröghetslyft för partikelsortering. Studien publicerades i Journal of Fluid Mechanics .

Författarna till arbetet studerade krafterna som verkar på partiklarna i mikrokanaler. Partiklarnas beteende beror på Reynolds-talet, vilket är förhållandet mellan tröghetskrafter och viskösa krafter i en vätska. Vid ändligt Reynolds antal migrerar små partiklar över strömlinjerna till vissa jämviktspositioner i mikrokanaler. Denna migration tillskrivs verkan av tröghetslyftkrafter.

Exakta beräkningar av partikelmigrationer i mikrokanaler kommer att hjälpa till att använda dem för att sortera friska celler från cancerceller. Eftersom det finns flera krafter som samtidigt verkar på partiklarna, deras migrationer är svåra att tolka teoretiskt. Tidigare studier behandlade bara några enkla specifika fall, såsom migration av punktliknande partiklar, vars storlek ignoreras, eller partiklar av ändlig storlek som översätts i närheten av en enda vägg.

"Tröghetsmikrofluidik är allmänt känd och används, men än så länge bara vid höga Reynolds-siffror, förhållanden som är svåra att generera i mikrokanaler eftersom pumpning av vätskan kräver ett enormt tryckfall. Därför använder moderna anordningar för tröghetspartikelseparering ganska breda kanaler, " sa Evgeny Asmolov, en medförfattare till verket, senior forskarassistent vid Institute of Mechanics, MSU, och ledande forskningsassistent till IPCE.

Den nya studien föreslår en mer allmän teori, som beskriver ett hydrodynamiskt lyft av ändliga partiklar i mikrokanaler. Dessutom, författarna lyckades redogöra för interaktionen mellan partikelvägg och att analysera beteendet hos partiklar med olika densitet. Om en partikels densitet skiljer sig från en vätskas, lyftkraften kommer att balanseras av gravitationen och flytkraften. Dessa två ytterligare krafter kan förskjuta jämviktspositionerna eller till och med orsaka att de försvinner.

Forskarna validerade den nya teorin genom att använda datorsimuleringar. Enligt deras resultat, nya formler som erhållits tidigare i motsvarande begränsningsfall. Dessutom, fysikerna analyserade flera typiska experimentella miljöer för att förutsäga partiklars beteende.

"Enligt våra förutsägelser, även vid låga Reynolds siffror, sfäriska partiklar kan ta fart genom att rotera från väggarna i en mikrokanal, som flygplan. De flyger sedan på vissa avstånd från väggarna, som bara beror på deras densitet och radie, genom att bilda kedjor. Dessa kedjor av partiklar kan enkelt separeras i lab-on-a-chip-enheter, och fraktioneringen i detta fall är mer effektiv än i breda kanaler och vid höga Reynolds-tal, sa Olga Vinogradova, en medförfattare till verket, professor vid Fysiska fakulteten, MSU, och labbchef på IPCE.