Как упругость жидкости меняет ловушку для частиц экспресс
Капля густого шампуня падает в воду и застывает причудливым жгутом. Жидкость, которая одновременно течёт и пружинит, называют вязкоупругой. В ней крошечные частицы под действием ультразвука ведут себя совсем не так, как в воде.
В микроканале с такой жидкостью включают ультразвук — и возникает два течения. Одно, акустическое, толкает частицы в определённые зоны, как ветер гонит пыльцу к забору. Второе, вихревое, от мощного звука само перемешивает жидкость и может сдувать частицы прочь. В вязкоупругой среде эти силы сплетаются иначе: упругость жидкости работает как невидимая сетка, которая то подхватывает частицу, то отпускает. Учёные построили модель на основе уравнений для жидкости Олдройда-Б — математического описания, где жидкость помнит недавние деформации, словно резиновый жгут.
Главными рукоятками оказались два числа. Число Деборы (De) сравнивает время расслабления упругих напряжений в жидкости с периодом ультразвука: чем оно больше, тем дольше жидкость «помнит» толчок. Число вязкой диффузии (Dv) показывает, как быстро вихри затухают от вязкости. Меняя их, можно пересадить частицу-ловушку с одного места на другое: от центра канала к стенке, к линии, где давление не колеблется, или к оси симметрии звука.
Так рождается акустофлюидика для сложных жидкостей — возможность бесконтактно сортировать частицы размером меньше микрометра. Это прямой путь к деликатной работе с живыми клетками, вирусами или каплями лекарств, где важно не повредить груз. И всё благодаря тому, что жидкость чуть-чуть пружинит.
Число Деборы названо в честь пророчицы из библейской Книги Судей, которая сказала: «Горы тают перед Господом» — намёк на то, что даже твёрдое может течь, если наблюдать достаточно долго.
В романе «Экспансия» инженеры используют звуковые поля для управления потоками в невесомости — похожий принцип, только вместо вязкоупругости работает инерция.