Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Нанощели – каналы толщиной порядка 10-9÷10-7 м – активно применяются в микрофлюидных устройствах. Электрическое поле, создаваемое поверхностным зарядом стенок, распространяется на всю толщину нанощели, за счёт чего она приобретает ионоселективные свойства. По сравнению с традиционными ионоселективными мембранами, система щелей со специально подобранной геометрией может обеспечить заданные характеристики устройства сразу, без дополнительного процесса обработки. Нанощели используются для создания нанофлюидных диодов/транзисторов, сепараторов и детекторов заряженных молекул. Особенно интересные результаты были достигнуты в биотехнологии: так, к примеру, удачно подобранная геометрия устройства может локально повышать концентрацию аналита на 6 порядков. При этом, если динамика системы с однородной ионоселективной поверхностью уже поддаётся прямому численному моделированию, то рассмотрение отдельных нанощелей пока ведётся на уровне упрощённых моделей.
В представляемом докладе рассматривается численная модель поведения электролита около заряженной диэлектрической непроницаемой стенки, содержащей одиночную нанощель. Динамика электролита внутри щели задаётся аналитически в виде эффективных краевых условий, а в расчётной области – как решение системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона-Стокса без дополнительных упрощений. Указываются возможные способы обобщения алгоритма численного моделирования для учёта реального поведения электролита в нанощели.
Владимир Сергеевич Шелистов
Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Электрофорез – это движение заряженных частиц в жидкостях под действием внешнего электрического поля. Электрофорез возникает из-за наличия тонких заряженных слоёв около поверхностей частиц, заряд которых противоположен заряду частицы. Электрофорез диэлектрических частиц имеет долгую историю исследований и берёт начало с работ Смолуховского [1]. Позднее было показано, что линейные модели описывают этот процесс с достаточно хорошей точностью. Электрофорез ионоселективных микрочастиц оказывается более сложным и требует исследования нелинейных моделей [2, 3]. В последнее время начали появляться экспериментальные работы, указывающие на необходимость учета нелинейных эффектов даже около диэлектрических частиц при достаточно больших напряженностях внешнего электрического поля [4].
В докладе будут представлены результаты численного моделирования электрофореза диэлектрической микрочастицы, покрытой тонкой ионоселективной оболочкой, имеющей неидеальную селективность. Моделирование показывает, что даже тонкой оболочки достаточно, чтобы вокруг частицы формировались области, характерные для полностью ионоселективной микрочастицы [3], а скорость электрофореза для стационарных режимов не зависит от поверхностного заряда диэлектрического ядра. Вместе с тем, течение электролита около таких композитных частиц оказывается более устойчивым, чем при электрофорезе полностью ионоселективной микрочастицы.
Модель композитных частиц ядро-оболочка может служить первым приближением в моделировании биологических клеток [5] и в дальнейшем позволит приблизиться к пониманию электрофизических процессов в биологических клетках.
Работа выполнена при поддержке грантом РНФ № 22-79-10085.
1. Smoluchowski M. Contribution a la theorie de l’endosmose electrique et de quelques phenomenes correlatifs // Bulletin de l’Acadmie des Sciences de Cracovie. 1903.
2. Yariv E. Migration of ion-exchange particles driven by a uniform electric field // Journal of Fluid Mechanics. 2010. (655). C. 105–121.
3. Ganchenko G. S. [и др.]. Instabilities, bifurcations, and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective microparticle // Physics of Fluids. 2020. № 5 (32). C. 054103.
4. Tottori S. [и др.]. Nonlinear Electrophoresis of Highly Charged Nonpolarizable Particles // Physical Review Letters. 2019. № 1 (123). C. 014502.
5. Maurya S. K. [и др.]. Electrophoresis of composite soft particles with differentiated core and shell permeabilities to ions and fluid flow // Journal of Colloid and Interface Science. 2020. (558). C. 280–290.
Георгий Сергеевич Ганченко
