Сегодня микрожидкостные чипы широко используют в микробиологии, тонком органическом синтезе, фармацевтике, биомедицине и микроробототехнике. Размер микрореакторов в этих системах составляет менее 1 мм. Для эффективного проведения реакций часто необходимо быстро смешивать вещества. Стандартные способы не подходят для этих целей из-за небольшого размера. Группа исследователей, в которую вошли ученые Пермского Политеха, изучила механизмы естественной конвекции для смешивания жидкостей. Этот метод позволит проводить реакции более эффективно и экономично. Исследование выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
В работе также приняли участие ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (Пермь) и Израильского технологического института — Технион (Хайфа). Результаты исследования разработчики представили в журнале Microgravity Science and Technology (2-й квартиль, в печати). Работа также проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Правительства Пермского края и стипендии Президента РФ для молодых ученых.
Исследование ученых позволит разработать отечественную технологию создания сетей микрореакторов проточного типа, которые можно будет использовать в фармацевтическом производстве.
— С помощью микрожидкостных устройств изучают химико-технологические, физические и биологические процессы. Проточные микрореакторы, которые по размерам приближаются к микрожидкостным устройствам, стали значимым прорывом в химической инженерии последних лет. Например, фармацевтическая промышленность сейчас нацелена преимущественно на возможность быстрой переналадки производства, а не на выпуск большого количества стандартного продукта. Для сложных реакций проточные микрореакторы представляют собой разветвленную сеть каналов. Продукты тонкого органического синтеза получают в результате цепочки многокомпонентных и многостадийных реакций, которые протекают в разных условиях и с разной скоростью. Это позволяет обеспечить высокую производительность, стабильные условия реакции, эффективный контроль потребления реагентов и энергии, — рассказывает заведующий кафедрой прикладной физики Пермского Политеха, доктор физико-математических наук, доцент Дмитрий Брацун.
За последние 50 лет размер реакторов резко уменьшился и сейчас находится в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Но это привело к проблемам со смешиванием реагентов. Оно становится возможным только за счет диффузии, но этот процесс происходит медленно. Чтобы ускорить реакцию, используют активные и пассивные методы управления перемешиванием. Первые происходят за счет механического воздействия, тепла или электромагнитного поля, а вторые используют внутреннюю энергию потока. В частности, можно применять конвекцию — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается потоками самого вещества. Чаще всего для этого усложняют конструкции каналов, что требует дополнительных затрат энергии. Ученые Пермского Политеха с коллегами предложили использовать механизмы естественной конвекции.
Разработчики провели серию экспериментов и изучили эффективность использования естественной конвекции для смешивания растворов. Процессы они исследовали на основе Y-образного микрореактора — типичного элемента микрожидкостной сети. Для визуализации потоков исследователи использовали оптические методы, а степень смешивания веществ оценили с помощью флуоресцентного красителя. 3D-моделирование позволило им оценить длину канала, в котором растворы полностью смешиваются. Ученые выяснили, что, по сравнению с диффузией, смешивание происходило быстрее. Они также оценили минимальный размер устройства, в котором будут работать механизмы конвекции. Он достигает 100 нм.
По словам разработчиков, для определенных реакционных схем естественная конвекция может стать эффективным инструментом для проведения реакций в микрожидкостных устройствах проточного типа.
Для справки
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.