СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЕЧЕНИЯ В КАПЛЕ ЖИДКОСТИ
METHOD OF CREATING FLOW IN LIQUID DROPLET

Изобретение относится к области микрофлуидики и может быть использовано для создания течения в капле жидкости.
Известен способ создания течения в капле жидкости [1]. Каплю жидкости помещают на слой другой жидкости, с которой она не смешивается. На слой жидкости направляют луч лазера, который вызывает ее локальный нагрев и тем самым формирует перепад температуры вдоль поверхности слоя. Этот перепад температуры передается капле жидкости. Так как с ростом температуры поверхностное натяжение жидкости падает, то в капле возникают термокапиллярные течения, направленные от ее нагретого края к холодному, а также - возвратные течения.
Недостатком способа [1] является необходимость в наличии лазера и устройства, направляющего лазерный луч на участок слоя жидкости вблизи границы капли. Кроме того, перетекание жидкости капли от одного ее края к другому приводит к тому, что капля смещается вдоль поверхности слоя, на котором она лежит. Тем самым положение капли необходимо постоянно отслеживать, а лазерный луч постоянно смещать.
Поэтому необходимо еще и устройство, отслеживающее положение капли.
Предлагаемый способ направлен на упрощение и удешевление процедуры создания течения в капле жидкости.
Поставленная цель достигается путем использования фестонной нестабильности капли жидкости, возникающей при помещении капли одной жидкости на слой другой, не растворяющей ее жидкости.
Схема предлагаемого способа показана на Фиг.1, где 1 - капля, жидкости, в которой нужно создать течение, 2 - слой жидкости, не растворяющий жидкость капли 1, 3 - крышка.
к
к
к
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Каплю жидкости, в которой нужно создать течение, помещают на слой другой жидкости, которая не растворяет жидкость капли. Слой жидкости нагревают, чтобы его температура была в диапазоне (Т - 100; Т - 50)°С, где Т - температура кипения жидкости капли в градусах Цельсия. При этом объем воздуха над каплей делают незамкнутым, подняв крышку (3), чтобы обеспечить испарение капли. В этих условиях (указанный диапазон температур слоя жидкости (2) и незамкнутость объема воздуха над каплей (1)) в капле развивается фестонная нестабильность. На периферии капли растут фестоны в виде круглых возвышений ее поверхности, к которым из центра капли поступает жидкость. Достигнув определенной величины, фестоны инжектируют в центр капли, перенося тем самым вещество капли с ее края в середину. Таким образом, в капле создается течение, захватывающее как ее центр, так и ее периферию. На месте инжектировавшего фестона растет новый фестон, и процесс инжекции фестонов повторяется до тех пор, пока жидкость капли не испаряется. Когда течение жидкости в капле необходимо прекратить, объем воздуха над ней делают замкнутым, закрывая его крышкой (3). Этот объем насыщается парами жидкости капли, ее испарение прекращается, и соответственно прекращается течение в капле за счет роста и инжекции фестонов в ней.
На Фиг.2 показан пример создания течения в капле жидкости за счет ее фестонной нестабильности. Дана последовательность видеокадров капли о-ксилола объемом 50 мкл, находящейся на поверхности воды с температурой 50°С. Размер кадра равен 28×21 мм, а интервал времени между кадрами - 0.4 с. Кадры расположены слева направо и сверху вниз. Для наглядности инжектирующие фестоны отмечены стрелками. Скорость инжекции фестонов составляет 1-2 мм/с.
Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой, обладает следующим преимуществом. Течение в капле жидкости возникает под действием ее собственной нестабильности (т.е. естественно, не вынужденно), поэтому для его возбуждения необходимо лишь создать соответствующие условия (нагреть слой жидкости, на котором лежит капля, до определенной температуры и обеспечить незамкнутость объема воздуха над каплей). При этом не требуются дополнительные устройства, как лазер, устройство наведения луча лазера и устройство, отслеживающее положение капли, в способе [1], что удешевляет процесс создания течения в капле жидкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Roman О. Grigoriev, Michael F. Schatz and Vivek Sharma. Chaotic mixing in microdroplets // Lab on a Chip.2006. Vol.6, P.1369-1372.