Як рідина тече під дією електричного поля
Всеукраїнська конференція з міжнародною участю і школа для молодих вчених «Еволюційна і функціональна морфологія хребетних» пам'яті Фелікса Яновича Дзержинського
II науково-практична конференція "Вчимося говорити по-російськи. Проблеми сучасної мови в електронних ЗМІ"
Всеукраїнська конференція з міжнародною участю і школа для молодих вчених «Еволюційна і функціональна морфологія хребетних» пам'яті Фелікса Яновича Дзержинського
Друга Асамблея «Педагог XXI століття»
Щорічна наукова конференція консорціуму журналів економічного факультету МДУ імені М.В. Ломоносова
Міжнародний конкурс на кращу наукову роботу «Аrs Sacra Audit»
III Національний конгрес з регенеративної медицини
2-я Міжнародна конференція "Раціональне природокористування: традиції та інновації"
Міжнародний конкурс на кращу наукову роботу «Аrs Sacra Audit»
Електричне поле, створюване, наприклад, невеликий батарейкою, може викликати швидку течію рідини поблизу твердої поверхні. Червоні і чорні кульки - іони, жовті - розчинник. Синім кольором пофарбовані молекули рідини, що ілюструють профіль
Група вчених з МДУ дізналася більше про те, як рідина тече під дією електричного поля
Пов'язане з електроосмос явище руху твердих частинок в рідині під впливом електричного поля було названо електрофорезом.
Простота ефекту приховувала за собою досить складну фізику, в якій вченим вдалося розібратися лише через століття, коли польський фізик Маріан Смолуховський в 1909 році зміг теоретично описати процес електроосмосу. Протягом наступного століття ніхто його теорію сумніву не піддавав, і тільки зараз з'ясовується, що це лише окремий випадок більш загальної теорії, який можна застосовувати тільки тоді, коли рідина тече вздовж гидрофильной, тобто добре смачіваемоей поверхні, де слід враховувати (що Смолуховський і зробив) ефект прилипання рідини. Тепер з'ясовується, що у випадку з гідрофобною, погано змочується поверхні, потрібно враховувати зовсім інше.
З'ясувалася ця маленька деталь дуже вчасно, в момент розквіту нових наук - мікро- і нанофлюідікі - мають справу з плином рідини крізь дуже тонкі канали. Через надтонкі канали дуже складно організовувати течії за допомогою механічного впливу, наприклад створюючи перепад тисків, який повинен бути безглуздо потужним. Якщо насос замінити невеликий батарейкою, то в надтонкий каналі можна написати миттєве електроосмотіческій перебіг.
Близько зарядженої поверхні в розчині утворюється хмара іонів протилежного знака, яке і є причиною виникнення електро-осмотичного течії. Тут можливі два варіанти - коли поверхневі заряди нерухомі, і коли вони можуть переміщатися уздовж поверхні під впливом прикладеного електричного поля. У випадку з нерухомими зарядами все відносно просто - завдяки гідрофобним ковзанню швидкість електро-осмотичного течії збільшується. Коли ж поверхневий заряд здатний реагувати на прикладена електричне поле, виникає, стверджують вчені, маса варіантів, часом зовсім несподіваних. Наприклад, в статті показано, що можна індукувати електро-осмотичний протягом навіть поблизу незарядженою поверхні або, навпаки, повністю придушити такий перебіг в каналах з ідеально слизькими зарядженими стінками.
Головним «дійовою особою» теорії Смолуховского був так званий дзета-потенціал, фізико-хімічний параметр, що розраховується за спеціальною формулою і говорить, зокрема, про ступінь електроосмотіческій і електрофоретичної рухливості: чим вище дзета-потенціал, тим швидше протягом рідини або рух частинки. До недавнього часу вважалося, що фактично дзета-потенціал дорівнює потенціалу поверхні твердого тіла на кордоні з рідиною. У новій теорії герой залишився колишнім, однак його інтерпретація істотно ускладнилася.
«В теорії Смолуховского передбачається, що дзета-потенціал дорівнює потенціалу самої поверхні і не залежить від інших поверхонь, які знаходяться поруч, - стверджує Виноградова. - Ці висновки є наслідком класичного гідродинамічного умови прилипання рідини до твердого тіла. У нашій статті показано, що в разі гідрофобних поверхонь це не так через те, що гідрофобна поверхня слизька, а асоційовані зі слизькою поверхнею іони можуть реагувати на електричне поле ».
Тепер дзета-потенціал виявився пов'язаний також з параметрами, котрі характеризують рухливість поверхневих зарядів і гідродинамічний ковзання на поверхні, і навіть отримав додаткову залежність від можливого близької присутності іншої поверхні.
Життя з новою теорією стала складніше, але зрозуміліше. Так, ця теорія дозволила відразу вирішити декілька парадоксів, багато років залишалися під великим знаком питання. Наприклад, вона дозволила пояснити результати вимірювань дзета-потенціалу бульбашок і крапель.
«Ці вимірювання давно і незмінно показували, що їх дзета-потенціали такі ж, як у твердого тіла, - каже Ольга Виноградова. - Це пояснювалося, зокрема, наявністю забруднень на поверхні бульбашок і крапель. Ми показали, що забруднення тут ні при чому, і що дзета-потенціал в даному випадку дійсно збігається з дзета-потенціалом твердого тіла, але вже зовсім з інших причин ».
Теорія також допомогла зрозуміти викликали запеклі суперечки електроосмотіческій течії в пінних плівках.
Можливі практичні застосування нової теорії, на думку Виноградової, досить великі, хоча б з тієї причини, що концепція дзета-потенціалу широко використовується в багатьох областях науки і техніки, таких, наприклад, як медицина, фармацевтика, збагачення корисних копалин, водоочищення, очищення грунтів від забруднень і багато іншого. Нова інтерпретація цього параметра дозволить краще розуміти результати його експериментальних вимірювань, вона дозволить також управляти його величиною. Особливо перспективно використання нової теорії в області мікро- і нанофлюідікі, наприклад, для дизайну пристроїв «лабораторія на чіпі» і нанофлюідних діодів, вже використовуваних як для розпізнавання і поділу біомолекул, так і для конверсії енергії.
«Але, зрозуміло, шлях від нової теорії до практичних застосувань завжди дуже довгий, - стверджує Виноградова. - Вважаю, першими, хто буде використовувати наші результати, виявляться експериментатори ».