Исследование переноса микрочастиц в тонком слое жидкости под действием градиента температуры

Об авторах:

Аль-Музайкер Мохаммед Али Яхья Али, аспирант, Физико-технический институт, инженер-исследователь, научно-исследовательская лаборатория фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; m.al-muzajker@utmn.ru

Флягин Виктор Михайлович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, научно-исследовательская лаборатория фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; v.m.flyagin@utmn.ru

Обаид Обаид Гардун Лукман, магистр, Тюменский индустриальный университет, лаборант-исследователь, научно-исследовательская лаборатория фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет;  g.obaid@utmn.ru

Иванова Наталья Анатольевна , кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, заведующий научно-исследовательской лабораторией фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ORCID, Web of Science ResearcherID, Scopus AuthorID, n.ivanova@utmn.ru

Аннотация:

Исследованы основные закономерности процесса переноса микрочастиц полиэтилена в слое летучей и нелетучей жидкости термокапиллярными течениями при локальном нагреве и охлаждении. Показана возможность создания круговых и кольцевых сборок частиц (паттернов) путем индуцирования положительного и отрицательного радиально-направленных градиентов температуры. Разработана методика и компьютерная программа для количественной оценки исследуемого процесса переноса, которая заключается в измерении площади паттерна частиц, формируемого при нагреве и площади, освобождаемой от частиц (площадь очистки) при охлаждении на последовательности кадров видеозаписи, полученной с помощью оптического микроскопа. Методика основана на сравнении интенсивности пикселей изображения относительно порогового значения и подсчете общей площади пикселей, занятых или не занятых частицами.

Установлено влияние таких параметров эксперимента, как толщина слоя несущей жидкости при постоянном числе частиц, испарение жидкости и соотношение плотностей частиц и жидкости, на размер результирующего паттерна и время достижения стационарного состояния. Показано, что площадь результирующего паттерна при локальном нагреве и площадь очистки при локальном охлаждении имеет тенденцию к уменьшению с увеличением толщины слоя, при этом время достижения стационарного состояния не зависит от толщины слоя, но зависит от свойств жидкости и соотношения плотнос­тей частиц и жидкости.

Список литературы:

1. Аль-Музайкер М. Я. Влияние смачиваемости подложки и влажности воздуха на самосборку наночастиц при испарении капель коллоидных растворов / М. Я. Аль-Музайкер, Т. Е. Есенбаев, Н. С. Кубочкин, М. Д. Горева, Н. А. Иванова // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 3. С. 83-96. DOI: 10.21684/2411-7978-2019-5-3-83-96

2. Abdel Fatah T. A nanofilter for fluidic devices by pillar-assisted self-assembly microparticles / T. Abdel Fatah, M. Jalali, S. Mahshid // Biomicrofluidics. 2018. Vol. 12. No. 6. Art. 064103. DOI: 10.1063/1.5048623

3. Akella M. High-Throughput Acoustofluidic Self-Assembly of Colloidal Crystals / M. Akella, J. J. Juarez // ACS Omega. 2018. Vol. 3. No. 2. Pp. 1425-1436. DOI: 10.1021/acsomega.7b01862

4. Angelsky O. V. Controllable generation and manipulation of micro-bubbles in water with absorptive colloid particles by CW laser radiation / O. V. Angelsky, A. Ya. Bekshaev, P. P. Maksimyak, et al. // Optics Express. 2017. Vol. 25. No. 5. Pp. 5232-5243. DOI: 10.1364/OE.25.005232.

5. Asbahi M. Second order directed positioning of nanoparticles induced by the main terminal meniscus shape in irregular template cavities / M. Asbahi, Z. Dong, F. Wang et al. // Nanoscale. 2017. Vol. 9. No. 28. Pp. 9886-9892. DOI: 10.1039/c7nr02455j

6. Caleap M. Acoustically trapped colloidal crystals that are reconfigurable in real time / M. Caleap, B. W. Drinkwater // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2014. Vol. 111. No. 17. Pp. 6226-6230. DOI:10.1073/pnas.1323048111

7. Chen Y. L. Single Dirac Cone Topological Surface State and Unusual Thermoelectric Property of Compounds from a New Topological Insulator Family / Y. L. Chen, Z. K. Liu, J. G. Analytis, et al. // Physical Review Letters. 2010. Vol. 105. No. 26. Art. 266103. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.266401

8. Ding X. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves / X. Ding, S. S. Lin, B. Kiraly et al. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012. Vol. 28. No. 109. Pp. 11105-11109. DOI: 10.1073/pnas.1209288109

9. Du F. Laser-induced nanoscale thermocapillary flow for purification of aligned arrays of single-walled carbon nanotubes / F. Du, J. R. Felts, X. Xu et al. // ACS Nano. 2014. Vol. 8. No. 12. Pp. 12641-12649 (2014). DOI: 10.1021/nn505566r

10. Edwards T. D. Controlling Colloidal Particles with Electric Fields / T. D. Edwards, M. A. Bevan // Langmuir. 2014. Vol. 30. No. 36. Pp. 10793-10803. DOI:10.1021/la500178b

11. Feldmann D. Manipulation of small particles at solid liquid interface: light driven diffusioosmosis / D. Feldmann, S. Maduar, M. Santer et al. // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. Art. 36443. DOI: 10.1038/srep36443

12. Harris D. J. Marangoni effects on evaporative lithographic patterning of colloidal films / D. J. Harris, J. A. Lewis // Langmuir. 2008. Vol. 24. No. 8. Pp. 3681-3685. DOI: 10.1021/la8000637

13. Ivanova N. Removal of micrometer size particles from surfaces using laser-induced thermocapillary flow: experimental results / N. Ivanova, V. M. Starov, A. Trybala, V. M. Flyagin // Journal of Colloids and Interface Science. 2016. Vol. 473. Pp. 120-125. DOI: 10.1016/j.jcis.2016.04.001

14. Li J. Drying Dip-Coated Colloidal Films / J. Li, B. Cabane, M. Sztucki et al. // Langmuir. 2012. Vol. 28. No. 1. Pp. 200-208. DOI: 10.1021/la203549g

15. Li Y. From coffee rings to coffee eyes / Y. Li, C. Lv, Z. Li, D. Quere, Q. Zheng // Soft Matter. 2015. Vol. 11. No. 23. Pp. 4669-4673. DOI: 10.1039/C5SM00654F

16. Lv C. Controlling the Trajectories of Nano/Micro Particles Using Light-Actuated Marangoni Flow / C. Lv, S. N. Varanakkottu, T. Baier, S. Hardt // Nano Letters. 2018. Vol. 18. No. 11. Pp. 6924-6930. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02814

17. Malinowski R. Dynamic Control of Particle Deposition in Evaporating Droplets by an External Point Source of Vapor / R. Malinowski, G. Volpe, I. P. Parkin, G. Volpe // Journal of Physical Chemistry Letters. 2018. Vol. 9. No. 3. Pp. 659-664. DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02831

18. Owens C. E. Highly parallel acoustic assembly of microparticles into well-ordered colloidal crystallites / C. E. Owens, C. Wyatt Shields IV, D. F. Cruz et al. // Soft Matter. 2016. Vol. 12. No. 3. Pp. 717-728. DOI: 10.1039/c5sm02348c

19. Shimoni A. Inkjet printing of flexible high-performance carbon nanotube transparent conductive films by “coffee ring effect” / A. Shimoni, S. Azoubel, S. Magdassi // Nanoscale. 2014. Vol. 6. No. 19. Pp. 11084-11089 (2014). DOI: 10.1039/c4nr02133a

20. Wyatt Shields IV C. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation / C. Wyatt Shields IV, C. D. Reyes, G. P. López // Lab on a Chip. 2015. No. 5. Pp. 1230-1249. DOI: 10.1039/c4lc01246a