Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве РФ
Разработка лабораторий на чипе является актуальной задачей в области медицинской диагностики. К задачам, решаемым такими лабораториями, относится задача предварительного концентрирования аналита – биомолекул, по наличию или отсутствию которых можно определить заболевание. Предварительное концентрирование необходимо, поскольку молекул аналита может быть в исходном объёме настолько мало, что обычные тесты дадут ложноотрицательный результат. В последнее время эффект суперконцентрации [1, 2] приобретает всё большую популярность в качестве решения этой задачи. Этот эффект возникает около ионоселективных поверхностей и связан с конкуренцией механизмов транспорта ионов за счет электрического поля и градиента давления, концентрирование может достигать до миллиона раз от изначального. Однако до сих пор известно мало об условиях возникновения этого эффекта, поэтому требуется проведение дополнительных исследований.
В данном докладе будет представлены результаты асимптотического анализа, проведённого для относительно простой постановки с целью лучше разобраться в причинах появления эффекта суперконцентрации. В общем случае рассматривается задача течения тернарного несимметричного электролита в микроканале, на выходе которого находится ионоселективная мембрана, на входе задаётся плотность концентраций, между входом и выходом задана разность потенциалов и градиент давления. Задача описывается системой Нернста-Планка-Пуассона-Стокса.
В ходе асимптотического анализа было получено несколько приближенных решений для разных случаев, которые дают неплохое представление о поведении системы [3]. Анализ полученного в ходе асимптотического разложения внешнего и внутреннего решений показал сложную зависимость решения системы от зарядового числа третьего сорта ионов.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-29-00307.
1. Wang S.-C., Lai Y.-W., Ben Y. & Chang H.-C. Microfluidic Mixing by dc and ac Nonlinear Electrokinetic Vortex Flows // Ind Eng Chem Res. 2004. 43, 2902–2911.
2. Wang, S.-C. et al. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes. Biomicrofluidics 2, 14102 (2008).
3.Demekhin E.A., Ponomarev R.R., Alekseev M.S., Morshneva I.V., Ganchenko G.S. Electrokinetic instability of a highly charged and weakly diffusing analyte in a buffer electrolyte near an ion-selective surface // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2024. https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-024-01154-x
Максим Сергеевич Алексеев
Лаборатория Элетро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Кубанский государственный университет, Краснодар
В данной работе приведено исследование процесса возникновения области расширенного пространственного заряда при электрофорезе диэлектрической микрочастицы. В работе [1] с помощью численного моделирования было показано, что в сильном электрическом поле и при высокой плотности поверхностного заряда около поверхности диэлектрической частицы формируется область расширенного пространственного заряда. При высокой степени нелинейности вокруг поверхности частицы формируется структура из тонких пограничных слоев, вложенных друг в друга (см. рис. 1 (справа)). В частности, обнаружено образование области пространственного заряда около непроводящей поверхности. Ранее считалось, что данная область образуется только около поверхностей, обладающих ионообменными свойствами.
Для объяснения возникновения области расширенного пространственного заряда был проведен анализ полных нормальных и тангенциальных потоков катионов и анионов (включая конвекцию, диффузию и электромиграцию) в непосредственной близости от поверхности частицы. Поведение потоков в двойном электрическом слое (ДЭС) показало наличие более тонкого слоя с очень большим значением потока катионов. В теоретической работе [2] данный слой был назван подслоем Духина и основной отличительной чертой этого слоя является высокая поверхностная проводимость. В этом слое наблюдаются значительные потоки заряженной жидкости, касательные к поверхности, вызывающие высокую поверхностную проводимость. Поверхностную проводимость можно охарактеризовать безразмерным числом Духина. Данная поверхностная проводимость может играть ключевую роль в образовании области расширенного поверхностного заряда около диэлектрической поверхности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-79-00129).
1. Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. DNS of Nonlinear Electrophoresis // Microgravity Science and Technology 36(2), 2024.
2. Schnitzer O., Yariv E. Macroscale description of electrokinetic flows at large zeta-potentials: Nonlinear surface conduction. Physical Review E, 86(2):021503, 2012.
Артём Александрович Крылов
ЮФУ, студент
Повсеместная потребность в компактных источниках энергии привела к созданию большого количества различных батарей, в состав которых входит как лёгкие металлы, типа лития, так и тяжёлые, типа кобальта и никеля. Их переработка и повторное использование затруднено трудоемкостью разделения лития от тяжёлых металлов из растворов электролитов. Одним из перспективных методов является электробаромембранный способ разделения [1]. Этот метод подразумевает использование нанофильтрационных мембран, которые имеют поры больших размеров по сравнению с обратноосмотическими мембранами, что делает их менее селективными для ионов, но увеличивает их гидродинамическую проницаемость [2].
В данном докладе будут представлены результаты численного моделирования электроконвекции в электробаромембранной ячейке. Такая ячейка состоит из двух полостей, заполненных электролитом, разделённых тонкой нанофильтрационной мембраной (см. рис.). На систему подаётся разность электрических потенциалов, что приводит к электрокинетическим процессам. В одной из камер создаётся повышенное давление, что приводит к гидродинамическим течениям через пористую мембрану.
Было исследовано влияние градиента давления на электрокинетическую неустойчивость, которая возникает около ионоселективных мембран при достаточно больших напряжённостях внешнего электрического поля [3, 4]. Наличие электроконвекции, с одной стороны, усиливает электрический ток, проходящий через мембрану, но, с другой стороны, приводит к перемешиванию электролита около мембраны, что затрудняет процесс разделения ионов металлов в области вихреобразования.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-79-10085.
Илья Иванович Ольберг
