Об устойчивости движения электролита в окрестности полупроницаемой микрочастицы

Автор: Владимир Сергеевич Шелистов

Соавторы: Е.А. Франц, В.С. Шелистов, Г.С. Ганченко

Организация: Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации (Краснодарский филиал)

В докладе рассматривается задача движения заряженной микрочастицы с ионоселективной поверхностью в неограниченном объёме, заполненном раствором электролита, под воздействием внешнего электрического поля. Такое движение имеет перспективы применения в промышленности, биологии и медицине: для создания микронасосов, микросепараторов и других элементов миниатюрных приборов – "лабораторий на чипе". Исследование такого движения является достаточно сложной задачей из-за наличия эффектов, связанных как с электрофорезом (собственно движением частиц), так и с электроосмосом (движением среды). Наличие неустойчивостей, приводящих к вихреобразованию (которые характерны для электроосмотических течений), порождает интересные эффекты – например, интенсивное перемешивание – но одновременно снижает КПД электрофореза за счёт перераспределения подводимой энергии.

Численное моделирование задачи позволило выявить зависимость критического значения напряжённости внешнего поля, при котором движение электролита теряет устойчивость, от размеров микрочастицы. В отличие от схожей задачи об устойчивости течения в мембранной ячейке, эта зависимость не является монотонной и имеет максимум для частиц диаметром порядка 30 мкм. Неустойчивость приводит к стохастическому движению электролита, схожему с турбулентностью. Окрестность более крупных частиц оказывается подвержена неустойчивости целиком; для более мелких частиц зона неустойчивости сносится потоком и проявляется позади них. В последнем случае также отмечается нарушение монотонности зависимости скорости электрофореза от напряжённости поля вблизи критического значения последней.

Расчёты также показывают, что при большой напряжённости поля происходит накопление соли в узкой области за частицей. Неустойчивость практически не влияет на этот эффект.

Работа выполнена в интересах проектов РФФИ (16-08-00643-а) и РНФ (17-79-10343).