Моделирование неравновесного электрофореза и возможности его применения для решения технологических задач
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. В литературе рассмотрены аналогичные задачи для проводящих и диэлектрических частиц, в частных случаях выведены простые формулы типа формулы Гельмгольца-Смолуховского, описывающие зависимость скорости частицы от напряжённости поля. Экспериментально известно, что эта зависимость является линейной при слабых полях (равновесный электрофорез), а при увеличении напряжённости становится ближе к квадратичной (неравновесный электрофорез).
Для решения задачи применяется численное моделирование, которое для слабых и сильных полей дополняется асимптотическим анализом. Аналитически выводится упрощённая зависимость скорости частицы от напряжённости поля, которая отличается от формулы Гельмгольца-Смолуховского. Численно показывается смена режимов электрофореза (от равновесного к неравновесному) при увеличении напряжённости поля. Выводятся основные характеристики поведения электролита - распределения электрического потенциала, заряда и концентрации соли, а также поле скоростей в окрестности частицы. Полученные результаты качественно подтверждаются известными экспериментальными данными как для слабых, так и для умеренных полей. Для очень сильных полей в предложенной авторами модели проявляется разновидность электрокинетической неустойчивости, в результате чего решение с постоянной скоростью движения частицы перестаёт существовать.
В работе также оцениваются перспективы применения найденных режимов поведения частицы для решения технологических задач, описываемых в литературе: конструирования микронасосов, концентрирования и сепарации биологических объектов и т.п.
Работа выполнена в интересах проектов РФФИ (16-08-00643-а) и РНФ (17-79-10343).
