Un gruppo di scienziati della MSU, Istituto Frumkin di chimica fisica ed elettrochimica dell'Accademia delle scienze russa, e il Centro di ricerca Juelich hanno descritto il meccanismo di comparsa di una forza di sollevamento inerziale che agisce su particelle di dimensioni finite nei microcanali. Tali calcoli erano in precedenza possibili solo per alcuni casi specifici. Una descrizione più accurata consente di utilizzare questo sollevamento inerziale per lo smistamento delle particelle. Lo studio è stato pubblicato su Journal of Fluid Mechanics .

Gli autori del lavoro hanno studiato le forze che agiscono sulle particelle nei microcanali. Il comportamento delle particelle dipende dal numero di Reynolds, che è il rapporto tra le forze inerziali e viscose all'interno di un liquido. Al numero di Reynolds finito le piccole particelle migrano attraverso le linee di flusso verso alcune posizioni di equilibrio nei microcanali. Questa migrazione è attribuita all'azione delle forze di sollevamento inerziale.

Calcoli precisi delle migrazioni di particelle nei microcanali aiuteranno a utilizzarli per separare le cellule sane da quelle cancerose. Poiché ci sono diverse forze che agiscono contemporaneamente sulle particelle, le loro migrazioni sono difficili da interpretare teoricamente. Studi precedenti hanno affrontato solo alcuni semplici casi specifici, come la migrazione di particelle puntiformi, la cui dimensione è ignorata, o particelle di dimensioni finite traslanti in prossimità di una singola parete.

"La microfluidica inerziale è ampiamente conosciuta e utilizzata, ma finora solo ad alti numeri di Reynolds, condizioni difficili da generare nei microcanali poiché il pompaggio del liquido richiede un enorme calo di pressione. Pertanto i moderni dispositivi per la separazione inerziale delle particelle impiegano canali piuttosto ampi, " disse Evgenij Asmolov, coautore dell'opera, ricercatore senior associato dell'Istituto di Meccanica, MSU, e ricercatore associato di IPCE.

Il nuovo studio propone una teoria più generale, che descrive un sollevamento idrodinamico di particelle di dimensioni finite in microcanali. Inoltre, gli autori sono riusciti a contabilizzare l'interazione particella-parete e ad analizzare il comportamento di particelle con diversa densità. Se la densità di una particella è diversa da quella di un liquido, la forza di portanza sarà bilanciata dalla gravità e dalla forza di galleggiamento. Queste due forze aggiuntive possono spostare le posizioni di equilibrio o addirittura provocarne la scomparsa.

Gli scienziati hanno convalidato la nuova teoria utilizzando simulazioni al computer. Secondo i loro risultati, nuove formule diventano ottenute in precedenza nei corrispondenti casi limite. Inoltre, i fisici hanno analizzato diverse impostazioni sperimentali tipiche per prevedere il comportamento delle particelle.

"Secondo le nostre previsioni, anche a bassi numeri di Reynolds, le particelle sferiche possono decollare ruotando dalle pareti di un microcanale, come gli aerei. Poi volano a certe distanze dalle pareti, che dipendono solo dalla loro densità e raggio, formando catene. Queste catene di particelle possono essere facilmente separate in dispositivi lab-on-a-chip, e il frazionamento in questo caso è più efficiente che nei canali larghi e ad alti numeri di Reynolds, " ha detto Olga Vinogradova, coautore dell'opera, professore della Facoltà di Fisica, MSU, e capo del laboratorio all'IPCE.