Российские физики раскрыли секреты движения самых малых потоков воды

МОСКВА, 18 янв – РИА Новости. Ученые из Института теоретической физики РАН выяснили, как различные шероховатости и дефекты влияют на движение жидкости через микроканалы. Это поможет улучшить работу различных детекторов микробов и систем расшифровки ДНК, говорится в статье, опубликованной в Journal of Fluid Mechanics.

«

"Изначально мы ожидали, что флуктуации, возникающие за счет неровностей стенок, будут ускорять перемешивание частиц, переносимых течением жидкости. Оказалось, что оно не усиливается. Так что эффективно смешивать жидкости при помощи шероховатостей не получится. Чтобы добиться этого, придется каким-то сложным образом изменять форму канала", — рассказывает Владимир Парфеньев из Института теоретической физики РАН в Москве.

Физики достаточно давно заметили, что вода и другие типы жидкостей ведут себя по-разному, если они движутся по широким или узким каналам. Когда размеры подобного "ручейка" становятся достаточно небольшими, порядка половины миллиметра, на его движение начинают сильно влиять силы поверхностного натяжения, инерция и прочие факторы, которые обычно игнорируются в подобных расчетах.

Это сильно меняет свойства жидкости и придает ей несколько крайне интересных и парадоксальных характеристик, которые ученые сегодня активно используют для создания причудливых научных приборов, позволяющих "сортировать" клетки, извлекать из них ДНК, расшифровать его нити и выполнять прочие операции с молекулами.

Развитию подобных технологий и созданию еще более миниатюрных рукотворных "рек", как отмечают Парфеньев и его коллеги, сегодня сильно мешает то, что физики пока не до конца понимают то, как различные шероховатости и дефекты на поверхности этих каналов влияют на течение жидкости.

Российские исследователи заполнили этот пробел, создав набор формул, описывающих движение потока жидкости через подобные каналы и возникающие внутри него возмущения, связанные с неидеально ровной поверхностью этих структур.

Используя эти формулы, ученые просчитали то, как будут течь струйки воды или других несжимаемых жидкостей разной толщины вдоль стенки, покрытой "ямками" и "холмами" произвольной длины и формы.

Оказалось, что все эти шероховатости примерно одинаково влияли на скорость и направления движения жидкости вне зависимости от конкретных деталей их устройства и распределения по стенкам. Иными словами для предсказания ее течения не обязательно иметь точную трехмерную карту всех неровностей на поверхности микроканалов.

«

"Наблюдение, что точные детали устройства некоторой системы не важны для предсказания поведения этой системы, называется универсальностью. Ее поиски — одна из ключевых задач физиков, поскольку это позволяет понять, что объединяет абсолютно различные, на первый взгляд, системы, и описывать реальные процессы, даже не обладая всей полнотой информации о них", — продолжает Парфеньев.

Единственное условие, ограничивающее применение этого набора формул — высота "бугорков". Как выяснили ученые, слишком высокие шероховатости искажают поток жидкости настолько сильно, что их модели не может правильно описать его поведение.

Что интересно, открытие подобного свойства у микроканалов говорит о том, что их неровную структуру вряд ли удастся использовать для создания гаджетов, способных перемешивать между собой два микроскопических потока жидкости.

С другой стороны, теперь физики и биоинженеры смогут создавать нужные им микроканальные устройства, пользуясь лишь компьютером, что сделает их более доступными и более доступными для широких масс.