ОГЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений и обозначений 4
* ВВЕДЕНИЕ 8
1. Капиллярные эффекты: исторический экскурс 8
2. Применение в физико-химических и микрогравитациотшх технологиях 8
3. Микрофлу иди ка 9
4. Цель работы 11
ГЛАВА I. ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ: 14
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
™ • 1 А
1.1. Влияние термофизических и химических свойств жидкости на ПН
1.1.1. Зависимость ПН от температуры для чистых жидкостей 15
1.1.2. Зависимость ПН растворов от концентрации ТАВ и ПАВ 16
1.1.3. Уточнение терминологии 19
1.1.4. Зависимость ПН от разности потенциалов через ПРФ 20
1.2. Капиллярная статика. Уравнение Юнга - Лапласа.
Явление смачивания. 21
*• 1.3. Динамика ПРФ. Капиллярное течение жидкости. 23
1.4. Эффекты Марангони. Виды течения жидкостей в 24
микромасштабе.
1.4.1. Электрокапнллярный эффект 26
1.4.2. Термокапиллярный эффект 28
1.4.3. Концентращюннокапиллярный эффект 37
1.4.4. Конкурирующее действие механизмов вызывающих течение жидкости 41
^ 1.5. Фотоиндуцированная концентрационно-
капиллярная конвекция 43
1.6. Основные результаты и выводы 45
Основные результаты и выводы 47
1
ГЛАВА ГГ. ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЬГЙ МЕХАНИЗМ МАНИПУЛЯЦИИ ПУЗЫРЬКАМИ В ЯЧЕЙКЕ ХЕЛЕ-ШОУ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА СВЕТА 48
2.1. Анализ ранних исследований движения пузырьков
% в ячейке Хеле-Шоу 49
2.2. Экспериментальная установка и методика эксперимента 51
2.2.1.11агрев слоя жидкости, поглощающей излучение 55
2.2.2. Пршггговление рабочих жидкостей 56
2.3. Роль сил ПН, вызванных градиентами температуры
или концентрации, в движении газовых пузырьков: ^8
2.3.1. Разграничение механизмов движения 59
2.4. Механизм ТК движения пузырьков, управляемых пучком
света в ячейке Хеле-Шоу ^0
• 2.4.1. Визуализация течений 62
2.4.2. Частота вращения ТК вихря и его глубина. Кривизна ПРФ. 63
2.4.3. Скорость течения, примыкающего к ПРФ 65
2.4.4. Оценка перепада температуры между полюсами пузырька 67 при его движении за пучком света
2.5. Скорость и форма движущихся пузырьков 69
2.5.1. Классификация пузырьков по форме 75
2.5.2. Зависимость скорости пузырька от мощности пучка света 76
2.6. Влияние сил вязкого трения и инерции на скорость
•’ и форму пузырька 77
2.6.1. Капиллярные силы и силы вязкости 78
2.6.2 Силы Марангони и силы вязкости 80
2.6.3. Силы инерции, капиллярные силы и силы вязкости g2
Основные результаты и выводы 84
2
ГЛАВА III. КОНЦЕНТРАЦИОННОКАПИЛЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ ПУЗЫРЬКАМИ И КАПЛЯМИ С ПОМОЩЬЮ ПУЧКА СВЕТА 85
Раздел 1. ПУЗЫРЬКИ
3.1. КК движение малых пузырьков ^
3.2. КК механизм течений вдоль ПРФ больших пузырьков. Массоперенос через ПРФ **8
3.3. Деформация больших пузырьков.
Сравнение КК и ТК скоростей на ПРФ. ^4
3.4. Деление фасолевидных пузырьков 99
Раздел 2. КАПИЛЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ: КАПЛИ В
ПУЗЫРЬКАХ 101
3.5. Эволюция капли в пузырьке находящемся
в ячейке Хсле - Шоу * ^
Основные результаты и выводы 113
ГЛАВА IV. ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОЙ СВЕТОМ КАПИЛЛЯРНОЙ КОНВЕКЦИИ В МИКРОЖИДКОСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ П4
4:1. ТК пузырьковая прокачка жидкости- в микроканалах управляемая тепловым действием света 11^
4.1.1. Модель пузырькового микронасоса и демонстрация прокачки 116
4.1.2. Оценка скорости, и КПД прокачки. Анализ течений в канале при прокачке жидкости газовым пузырьком.
4.2. Оптические свойства аномальной капли 121
4.2.1. Обзор адаптивных мнкроошических элементов 121
4.2.2. Поиск оптимальных растворов для создания ВСМ 124
4.2.3. Методика эксперимента 125
4.2.4. Оптические и динамические характеристики капли-ВСМ 126
Основные результаты и выводы 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 148
з
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
Сокращения
ВСМ — варифокальная самоцентрирующаяся микролинза
КК - конце»гтраднониокапиллярный
(- КК) - отрицательный концентрационнокапиллярный
ПАВ — новерхпостпо активное вещество
ПН — поверхностное натяжение
ПРФ - поверхность раздела фаз
TAB - тензоактивное вещество
ТК - термокапиллярный
ФКК — фото индуцированный концептрационнокапиллярный Английские сокращения и обозначения
Def- отношение продольного размера деформированного пузырька к поперечному
High-tech - наукоемкий
Lab-on-a chip - лаборатории на чипе
Индексы (нижние и верхние)
О— начальное значение величины Ь — пузырек
с - критическое значение величины d— капля
dyn — динамический g-газовая фаза
in — возвратный (входящий) поток out - исходящий (выходящий) поток IX} - граница жидкость-газ /—жидкость т — смесь
max — максимальное значение min — минимальное значение 1с - тсрыокапиллярный Is - тензоактивное вещество 5 —твердое тело
sc - концептрационнокапиллярный SG — граница раздела твердое тело-газ si - растворитель
SL— границ а раздела твердое тело-жидкость у—паровая фаза
Брутто формулы используемых в работе веществ СиВг2 — бромид меди 12 - йод ш С2Н5ОН - этанол
(СН з ) 2 СО - ацетон С4Н|0О — бутанол
Обозначения
а — коэффициент поглощения
Вс7* — безразмерный параметр, разграничивающий механизмы движения Во - число Бонд а С - концентрация Са — капиллярное число Ср — теплоемкость
• Сг — число ряби
0 - диаметр капли, пузырька
О* — безразмерный диаметр пузырька £>л - гидравлический диаметр канала с! — диаметр пучка света в фокусе Е - энергия Е— сила
Ец - сила инерции
Е^ — сила гравитации
Еа — сила поверхностного натяжения
Ер — сила вязкости
0, /-частота
Т — фокусное расстояние
Я - кривизна ПРФ
Н3 — статическая кривизна
А — толщина слоя
И(у — толщина пленки смачивания
1 — интенсивность пучка света прошедшего сквозь поглощающий слой 10 — интенсивность пучка света у входа в слой
к —теплопроводность
Ь - характерный размер
/,г — скрытая теплота испарения
# £, - расстояние между предметом и линзой Ьъ — длина стоны сетки (объекта)
Ь} — длина стоны сетки (изображения)
Ма - число Марангони
5
Мат - модифицированное число Марангони т - масса
п — показатель преломления Я-мощность
* Ре — мощность, затраченная на испарение
Рн — мощность, затраченная на нагрев
Рс — мощность, рассеиваемая кондукцией
Рр - мощность на преодоление сил вязкого трения
р - давление
Р1 — динамическое давление ра — капиллярное давление Q - поток жид кости - плотность источников тепла в жидкости Ре — число Рейнольдса г - радиус капиллярного объекта, трубки
* г0 — радиус лазерного пучка
гл - радиус пузырька в состоянии покоя Гф„ - динамический радиус кривизны 5—площадь
Р' — коэффициент растекания
Т - температура
Ть — температура кипения
Тн — температура нагретого полюса пузырька
/—время
^,/г и /ду,, - время движения облучаемой ПРФ, кормовой ПРФ и их сумма и - скорость капиллярного объекта, движение жидкости V- объем.
* V - скорость течения жидкости в вихре
— скорость течения на ПРФ
]Уе - число Вебера
- пороговое число Вебера
»г — глубина вихря X- мольная доля
х- координата в продольном направлении (по /,) г- координата в вертикальном направлении (по И)
Г реческие символы
Л а - доля ПРФ облучаемой пучком света
/ - асискт-отношснис пузырыса в ячейке Хелс-Шоу А - изменение величины 5 — вариация величины Г] - коэффициент полезного действия
6
тс - время диффузной релаксации возмущения поля концентрации на гт - время диффузной релаксации возмущения поля температуры к - температурапроводность р - динамическая вязкость V - кинематическая вязкость О - краевой угол смачивания р — плотность жидкости или газа
Г - сигма-параметр, равный отношению площади свободной ПРФ капиллярного объекта к его объему
^риск и - сигма-параметр шайбовидного и сферического пузырьков
<т - коэффициент ПН
(т'с — концентрационный коэффициент ПН а'т - температурный коэффициент ПН А<р - разность потенциалов
4
4
7
КАПИЛЛЯРНЫЕ ДВИЖЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ И КАПЕЛЬ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЕТА
Перефразировав хорошо известное изречение: «Философы лишь различным способом объясняли мир, но дело заключаюсь в том, чтобы изменить его» применительно к механике, можно сказать: механики пытаюсь описать течение жидкости и газа, а задача состоит в том, чтобы этим течением управлять.
Меркулов В.И. Управление движением жидкости. - Наука. Н-С. - 1981.
ВВЕДЕНИЕ
1. Капиллярные эффекты: исторический экскурс
Капиллярные эффекты с глубокой древности привлекали к себе внимание необычностью их проявления в виде спонтанного движения жидкости. Некоторые из них служили предметом развлечений (эффект «слезы крепкого вина» [1,2], «танец камфары» [3, 4]), другие находили практические применения, основанные лишь на мифических представлениях (эффект успокоения волн с помощью масла [5,6]).
На протяжении многих веков ученые пытались найти объяснение этим эффектам [7], и только в середине 19 века британский инженер Томсон [2] и итальянский физик Марангони [8] внесли ясность в понимание механизма капиллярного движения жидкости, которое позже стали называть эффектом Марангони [7, 8]. Причиной движения жидкой поверхности являются градиенты поверхностного натяжения, возникающие вдоль поверхности раздела жидкость/газ за счет локального изменения температуры или состава жидкости [7].
2. Применение в физико-химических и микрогравитационных технологиях
Интерес к капиллярным эффектам не угас с удовлетворением научного любопытства, а результаты их исследования способствовали решению ряда технологических проблем в точной механике и часовой промышленности [9], в стекловарении [10], электрохимической промышленности [11], в очистке и сушке кремниевых пластин для микроэлектроники [12, 13] и лазерном текстурировании подложек магнитных дисков [14].
На борту космических лабораторий, где поверхностные силы преобладают над гравитационными, капиллярные явления привлекают внимание с точки зрения возможности управления многими жидкостными процессами: выращиванием
монокристаллов [ 15], производством тяжелых стекол [16], седиментацией [17] и разделением веществ 118].
3. Микроф.тунднкл
За последнее десятилетие исследования в области капиллярных явлений стали одной из стратегических задач международного научного сообщества [19. 20]. Столь небывалый всплеск интереса ученых и инженеров к поверхностным явлениям мотивирован тенденцией к миниатюризации химических и биотехнологических процессов с последующей их интеграцией в комплексные микрофлуидиыс устройства - лаборатории на чине (lab —on-a chip) [21,22]. названные так по аналогии с интегралыіыми микрозлектроїшыми схемами.
Учитывая, что основная функция микрофлуидного устройства состоит в транспортировке микроколичеств жидкости в виде капель и пузырьков через сложную сеть микроканалов Рис. 1 а, с характерными поперечными размерами 10-100 мкм 1231. а также вдоль гидрофильных дорожек на планарных чипах [24], Рис. 16. проблема разработки способов управления этими объектами в таких пространственных масштабах является весьма актуальной.
Подход, основанный на использовании микроэлектромеханических насосов 125 -28]. имеет ряд недостатков: сложность их изготовления: разрушение содержащимися
Рис. I. Микрофлундные устройства: о) микроканальный чип компании Caliper Technologies Inc. и б) планарный чип компании Advalytix AG.
9
в жидкости микрочастицами пыли; неспособность управления дискретными объемами жидкости; большое потребление энергии ;щя создания «радиентов давления достаточных, чтобы преодолеть адгезию жидкости на стенках микроканалов [24, 29].
Именно силы поверхностного натяжения (ПН), возрастающие с уменьшением размеров каналов [24. 30], Рис. 2, создают проблемы для работы микрофлуидных устройств [24, 30 -32]. Проанализируем соотношение сил ПН вязкого трения /*!„ гравитации и инерции Ь'„ в микромасштабе. Основными критериями определяющими их соотношение являются безразмерные числа1'0 Бонда, Во= /г‘е//г0; капиллярное, Са = 1Ра и Вебера, РУе = В,/Ра. Так, например, для капли воды (плостность р = 10' кг/м3, динамическая вязкость р = ИГ’ кг/м-с) движущейся со скоростью и = 1 см/с внутри микроканала диаметром /)л=100мкм обратные значения этих чисел
следующие. (Во)~] =ст/рхО?,~ 10’, (Ся)“1 =<т/рг/~ 104 и (1Уе)~] = <т/ р В/ги2~ 104. Столь высокие значения свидетельствуют о том, что в микромасштабе силы ПН преобладают над всеми остальными силами. С этой точки зрения весьма перспективной является идея использования сил 1111 для управления движением капель и пузырьков, а также течениями в микромасштабе [31, 32].
Таким образом, введенная в начале 90-х прошого века [21] концепция микролабораторий, породила новую междисциплинарную область исследований -микрофлуидику [33, 34.], объединяющую динамику поверхности раздела фаз (ПРФ), физическую химию, явления тепло- и массопереноса, с целью изучения капиллярных явлений и разработки методов активного управления силами ПН.
Сейчас область решаемых микрофлуидикой задач весьма обширна: аналитическая и комбинаторная химии [35 - 37], системы клинической диагностики [38-41] и ДНК анализа [42-43], микроэлектроника и оптоэлеюроника [44-49], технология
"* Классификация безразмерных чисел в физике жидкостей предложенная автором, представлена в Табл.1. Приложения.
А (м)
Рис. 2. Масштабное сравнение адгезии и объемных сил [36] в безразмерных единицах.
10
струйной печати [50 -51], миниатюрные теплообменники [52] и другие портативные устройства [53, 54].
Однако, несмотря на столь значительный прогресс, задача поиска эффективных методов создания движения микроколичеств жидкости и управления им остается ключевой в микрофлуидике [31, 32, 34, 55].
4. Цель работы
В настоящей диссертационной работе изучена возможность применения нового капиллярного явления — фотоинАудированной концентрационнокапиллярной (ФКК) конвекции, открытой Б.А. Безуглым [56] в 1975 г. для генерации движения пузырьков и капель и манипуляции ими (деформация, разделение и т.д) в ячейке Хеле-Шоу.
В основе явления лежит механизм капиллярной конвекции, индуцированной и управляемой тепловым действием пучка света путем контроля процессов тепло- и массопереноса через ПРФ жидкость/газ.
С помощью ФКК был решен ряд задач в разных областях науки и технологии: создан совершенный метод построения жидкослойных изображений, названный термотензографией [56-59], способ бесконтактного разделения микроколичеств бинарных смесей на компоненты [60,62], а также предложен ряд идей в новых областях применений, в частности в микрогравитациониых технологиях [63,64].
В данной работе явление ФКК исследуется с точки зрения использования его как способа для решения проблем микрофлуидики.
Выбор объекгов исследования связан с их ключевой ролью в микрожидкостной технологии. Так, пузырьки используют в качестве: поршней для прокачки жидкости через микроканалы (пузырьковые микронасосы) [65]; микромиксеров для смешивая био- и химических реатснтов [66]; переключателей оптических сигналов в ВОЛС [48,49] и т.п.
Капли нашли применение в биотехнологии как коллекторы и транспортные средства для биоклеток и микрочастиц, а также как микрореакторы [67-69]. С другой стороны капли отлично выполняют роль адаптивных микролинз [46,47,70,71] для микрооптики и онтоэлектроники и т.д.
Излагаемый в работе материал состоит из 4 глав, заключения, приложения и списка литературы.
В 1-й главе обобщены литературные данные о феноменологических
представлениях о ПН и его зависимости от физико-химических свойств жидкостей. Приведено терминологическое уточнение обозначения используемых в работе веществ. Дано феноменологическое описание явления ФТК. Выполнен критический обзор литературы о современных методах создания движения капиллярных объектов и управления ими в микрофлуидикс. На основе представленного обзора предложена классификация типов течения жидкости, позволяющая не только четко определить сложившиеся к настоящему времени направления в микрофлуидике, но и имеющая, методическое значение поскольку указывает оптимальный способ для решения практических задач.
Во 2-й главе изложена методика эксперимента и приведены результаты исследования 'ГК механизма движения пузырьков за пучком света. Исследованы ТК вихри в жидкости у облучаемой ПРФ пузырька и показана связь частоты и глубины вихря от положения пучка света до ПРФ. Разработан подход к оценке скоростей ТК течений на облучаемой ПРФ, основанный на принципе аддитивности статической и динамической кривизна ПРФ. Предложена классификация форм пузырьков при их движении за пучком света. Проанализировано влияние сил вязкости, Марангони, инерции и поверхностного натяжения на форму пузырьков.
В 3-й главе представлены результаты исследования КК механизма движения пузырьков за пучком света. Измерены скорости КК течений на поверхности пузырька. Исследованы формы пузырьков при их движении перед пучком света. Сделана оценка критической концентрации ТАВ. Проанализировано влияние сил инерции на форму пузырьков. Описан механизм деления пузырька пучком света. Изучена кинетика роста аномальной капли в газовых пузырьках разного диаметра и показано существование трех режимов течений формирующих каплю. Дано качественное объяснение возникновения режимов течения и механизма роста капли в пузырьке.
В 4-й главе изложены результаты исследования возможности практического применения манипулируемых тепловым действием пучка света пузырьков и капель в микрофлуидных устройствах и в адаптивной оптике и подчеркнуты их исключительные преимущества.
- Київ+380960830922