Een groep wetenschappers van MSU, Frumkin Instituut voor Fysische Chemie en Elektrochemie van de Russische Academie van Wetenschappen, en Juelich Research Center hebben het mechanisme beschreven van het verschijnen van een traagheidsliftkracht die inwerkt op eindige deeltjes in microkanalen. Dergelijke berekeningen waren voorheen alleen mogelijk voor enkele specifieke gevallen. Een meer nauwkeurige beschrijving maakt het mogelijk om deze traagheidslift te gebruiken voor het sorteren van deeltjes. De studie is gepubliceerd in Journal of Fluid Mechanics .

De auteurs van het werk bestudeerden de krachten die op de deeltjes in microkanalen inwerken. Het gedrag van de deeltjes hangt af van het Reynoldsgetal, dat is de verhouding tussen traagheids- en viskeuze krachten in een vloeistof. Bij een eindig Reynolds-getal migreren kleine deeltjes over de stroomlijnen naar enkele evenwichtsposities in microkanalen. Deze migratie wordt toegeschreven aan de werking van traagheidsliftkrachten.

Nauwkeurige berekeningen van deeltjesmigraties in microkanalen zullen helpen om ze te gebruiken voor het scheiden van gezonde cellen van kankerachtige. Omdat er verschillende krachten tegelijk op de deeltjes werken, hun migraties zijn moeilijk theoretisch te interpreteren. Eerdere studies hadden alleen betrekking op enkele eenvoudige specifieke gevallen, zoals de migratie van puntachtige deeltjes, wiens grootte wordt genegeerd, of deeltjes van eindige grootte die zich verplaatsen in de buurt van een enkele wand.

"Inertiële microfluïdica is algemeen bekend en wordt gebruikt, maar tot nu toe alleen bij hoge Reynoldsgetallen, omstandigheden die moeilijk te genereren zijn in microkanalen, omdat het pompen van de vloeistof een enorme drukval vereist. Daarom gebruiken moderne apparaten voor het scheiden van traagheidsdeeltjes vrij brede kanalen, " zei Jevgeny Asmolov, een co-auteur van het werk, senior onderzoeksmedewerker van Institute of Mechanics, MSU, en toonaangevende onderzoeksmedewerker van IPCE.

De nieuwe studie stelt een meer algemene theorie voor, die een hydrodynamische lift van deeltjes van eindige grootte in microkanalen beschrijft. Aanvullend, de auteurs slaagden erin de interactie tussen deeltjes en wand te verklaren en het gedrag van deeltjes met verschillende dichtheid te analyseren. Als de dichtheid van een deeltje verschilt van die van een vloeistof, de hefkracht wordt gecompenseerd door de zwaartekracht en de opwaartse kracht. Deze twee extra krachten kunnen de evenwichtsposities verschuiven of zelfs doen verdwijnen.

De wetenschappers valideerden de nieuwe theorie met behulp van computersimulaties. Volgens hun resultaten, nieuwe formules worden eerder verkregen in overeenkomstige limietgevallen. Bovendien, de natuurkundigen analyseerden verschillende typische experimentele instellingen om het gedrag van deeltjes te voorspellen.

"Volgens onze voorspellingen zelfs bij lage Reynoldsgetallen, bolvormige deeltjes kunnen opstijgen door te roteren vanaf de wanden van een microkanaal, zoals vliegtuigen. Ze vliegen dan op bepaalde afstanden van de muren, die alleen afhankelijk zijn van hun dichtheid en straal, door ketens te vormen. Deze ketens van deeltjes kunnen gemakkelijk worden gescheiden in lab-on-a-chip-apparaten, en de fractionering is in dit geval efficiënter dan in brede kanalen en bij hoge Reynoldsgetallen, " zei Olga Vinogradova, een co-auteur van het werk, hoogleraar aan de Faculteit der Natuurkunde, MSU, en hoofd van het lab bij IPCE.