Микрофлюидика
Микрофлюидика — наука о течении и управлении жидкостями в каналах микроскопических размеров (обычно 1–1000 мкм). Область интенсивно развивается благодаря применению в биотехнологиях, химии и медицине.
Особенности микрофлюидики
- Доминантность вязких сил над инерционными: характерное малое число Рейнольдса Re ≪ 1.
- Ламинарный режим течения почти всегда сохраняется.
- Преобладание поверхностных и капиллярных эффектов.
- Влияние межмолекулярных сил и электростатических взаимодействий в каналах микроскопического размера.
Число Рейнольдса в микрофлюидике
$$ Re = \frac{\rho v L}{\mu} $$
где ρ — плотность жидкости, v — скорость, L — характерный размер (ширина канала), μ — динамическая вязкость.
В микрофлюидных устройствах Re обычно меньше 1, что означает отсутствие турбулентности.
Управление потоками в микроканалах
- Давление и градиенты концентрации — основные силы для управления.
- Электрофорез, электрокинетика и диффузия играют большую роль.
- Используются специфические методы дозировки и смешивания на микроуровне.
Поверхностные явления
- Поверхностное натяжение определяет капиллярный подъем и формирование менисков.
- Контактный угол характеризует смачиваемость поверхности жидкостью.
- Капиллярные силы управляют движением жидкости в тонких каналах.
Течение в микро- и наноканалах
- Течение остаётся линейным, без завихрений.
- Возможны эффекты слоев пограничного торможения на стенках.
- При масштабах нанометров учитываются молекулярные взаимодействия.
Применения микрофлюидики
- Лаборатории на чипе (Lab-on-a-chip) для биомедицинских анализов.
- Контролируемый синтез частиц и наночастиц.
- Точное дозирование лекарств и химреактивов.
- Сенсоры и системы для детекции биомолекул.
Математическое моделирование микрофлюидных процессов
- Основное уравнение — уравнение Навье-Стокса в упрощённом виде (при малом числе Рейнольдса — уравнение Стокса).
- Расчёт капиллярных и электрокинетических эффектов с использованием уравнений Пуассона–Больцмана и уравнений переноса.
Ключевые особенности
- Управление потоками без использования движущихся частей.
- Эффективное смешивание и разделение компонентов.
- Миниатюризация и интеграция различных функций в одном устройстве.
Таким образом, процессы кипения и конденсации представляют собой фундаментальные фазовые переходы, тесно связанные с термодинамикой и гидродинамикой, в то время как микрофлюидика открывает новые горизонты в управлении жидкостями на микроуровне, обеспечивая прецизионные технологии для науки и техники.