СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЕЧЕНИЯ В КАПЛЕ ЖИДКОСТИ
METHOD FOR CREATION OF FLOW IN LIQUID DROP

Изобретение относится к области микрофлюидики и может быть использовано для создания течения в капле жидкости и перемешивания жидкостей в малых объемах.
Известен способ создания течения в капле жидкости [María Luisa Cordero et al. Mixing via thermocapillary generation of flow patterns inside a microfluidic drop //New J. Phys., 11, 2009, 075033]. Каплю жидкости помещают на подложку из предметного стекла с формированным на нем микроканалом, в котором капля занимает фиксированное положение. На участок искривленной свободной поверхности капли направляют сфокусированный луч лазера, который вызывает локальный нагрев капли. Создаваемый при этом градиент температур в капле приводит к возникновению в ней термокапиллярных течений.
Недостатком этого способа является необходимость использования лазера и устройства, фиксирующего положение капли, в которой нужно создать течение.
Известен также способ создания течения в капле жидкости [Патент РФ на изобретение №2403554, G01N 11/00, Бюл. №31, 10.11.2010], заключающийся в том, что каплю жидкости, в которой нужно создать течение, помещают на слой другой жидкости, которая не растворяет жидкость капли, температуру слоя жидкости поддерживают в диапазоне (Тк - 100; Тк - 50)°С, где Тк - температура кипения жидкости капли в градусах Цельсия, объем воздуха над каплей делают незамкнутым, поднимая закрывающую его крышку, при этом течение возникает за счет фестонной нестабильности капли, при которой жидкость течет из центра капли на ее периферию, где из жидкости растут фестоны, периодически инжектирующие в центр капли, а для прекращения течения жидкости в капле объем воздуха над каплей делают замкнутым, закрывая его крышкой. В этом способе в качестве подложки, на которую помещают каплю жидкости, служит слой другой жидкости, не растворяющей жидкость капли.
Недостатком описанного способа является необходимость использования и, соответственно, подбора жидкости, не растворяющей жидкость капли, а также поддерживание необходимой температуры для возникновения фестонной нестабильности капли.
Предлагаемый способ направлен на упрощение и увеличение эффективности способа создания течения в капле жидкости.
Поставленная задача решается путем использования явления возникновения течений в капле жидкости, находящейся на поверхности пластины, в которой возбуждены изгибные колебания с частотой собственных колебаний в интервале звуковых и ультразвуковых частот с помощью пьезоэлектрического преобразователя, при этом участок поверхности пластины, на котором находится капля, приходится на пучность колебаний пластины.
Схема предлагаемого способа показана на Фиг. 1, где 1 - капля жидкости, в которой нужно создать течение, 2 - пластина, совершающая изгибные колебания, 3 - пьезоэлектрический преобразователь, 4 - генератор звуковой частоты.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Каплю жидкости помещают на горизонтально расположенную тонкую упругую пластину со свободными краями, совершающую изгибные колебания с собственной частотой в интервале звуковых и ультразвуковых частот, источником колебаний пластины служит механически соединенный с ней пьезоэлектрический преобразователь, подключенный к генератору звуковой частоты. Распределенные по амплитуде изгибные колебания пластины передаются капле жидкости, которая перетекает на ближайший участок поверхности пластины с пучностью колебаний, а в самой капле создаются внутренние течения.
Изгибные колебания пластин в интервале звуковых и ультразвуковых частот могут возбуждаться электромеханическими (электромагнитными, магнитоэлектрическими или пьезоэлектрическими) преобразователями, подключенными к генератору звуковой частоты. Для возбуждения изгибных колебаний пластины достаточно большой амплитуды, составляющей (50÷100) мкм, ее геометрические размеры и упругие свойства должны быть подобраны таким образом, чтобы одна из частот собственных изгибных колебаний была близкой к рабочей частоте электромеханического преобразователя. При закреплении прямоугольной пластины в двух противоположных краях, два других края остаются свободными. В случае консольного закрепления одним из краев прямоугольной пластины остаются свободными ее три края. Если пластина закреплена в центре, то свободными оказываются все края. Использование пьезоэлектрического преобразователя в качестве источника изгибных колебаний тонких пластин является наиболее удобным из-за простой конструкции и малого веса.
Изгибные колебания в пластинах являются двумерными и в пластине со свободными краями пучности изгибных колебаний собственных частот возникают как на краях, так и в центре поверхности пластины. Капле жидкости, помещенной на поверхность пластины, совершающей изгибные колебания, передаются колебания пластины. Так как амплитуда колебаний пластины зависит от координат и в центре пучности колебаний она максимальна, колебания жидкости в капле также оказываются распределенными. В результате внутри капли возникает градиент давления и жидкость в капле движется в сторону, где амплитуда колебаний больше. При малых амплитудах колебаний пластины капля жидкости за счет движения в ней жидкости перемещается на участок поверхности пластины с пучностью колебаний и растекается в форме, близкой к форме колебаний самой пластины. С увеличением амплитуды колебаний пластины в капле жидкости возникает течение, направленное в нижнем слое капли в сторону центра пучности колебаний пластины и направленное в верхнем слое от центра пучности.
При помещении капли жидкости на поверхность пластины к ее краю с пучностью колебаний в капле создается интенсивное течение, преимущественно направленное в верхнем слое капли в сторону от края пластины вследствие несимметричной формы капли.
На Фиг. 2 слева показана капля воды с вихревыми течениями, справа представлены капли приборного масла с установившимися в них течениями. Капли находятся на поверхности вблизи краев стальной пластины размером 32,0×8,0×0,1 мм, сама пластина одним из краев консольно прикреплена к пьезоэлектрическому преобразователю, который создает в пластине изгибные колебания частотой 5,5 кГц. Визуализация течений в смачивающем поверхность пластины  слое воды осуществляется добавлением частиц углерода. Для создания симметричных течений в капле жидкости ее помещают на участок поверхности пластины с пучностью колебаний в центре пластины.
В зависимости от свойств жидкости в капле процесс создания течений и изменение их скорости в капле достигается подстройкой частоты и изменением амплитуды колебаний пластины. Техническим результатом изобретения является упрощение и увеличение эффективности способа создания течения в капле жидкости.