Научный руководитель: Елисеев Артём Анатольевич, ХФ МГУ
Смешивание жидкостей в малых каналах с ламинарными потоками является достаточно большой проблемой современной микрофлюидики, которая в последнее время получила широкое применение в медицине, электронике, химии, биологии и др. [1]. Ламинарные потоки достаточно сложно изменить, а скорость смешивания компонентов раствора в таких каналах определяется исключительно диффузией. Особенно остро данная проблема стоит для диагностических панелей и лабораторий-на-чипе, используемых в медицине. Качество смешивания реагентов в таких системах сильно влияют на результат анализа [2]. Различают два способа типа смешивания компонентов: активный и пассивный [1,2]. Пассивное смешивание основано на изменении геометрии микроканалов или формирования препятствий на пути потока (ромбовидные, прямоугольные выступы), создающие вторичные потоки и нарушающие ламинарность основного потока. Большинство работ в литературе посвящены именно пассивным смесителям. Однако такие системы получаются достаточно громоздкими, а изготовление препятствий оказывается дорогим и сложным процессом. Активные смесители используют внешний источник энергии (пьезоэлектрические, ультразвуковые и механические элементы перемешивания). Они обладают существенно более высокой эффективностью по сравнению с пассивными смесителями, однако весьма редко встречаются ввиду сложности изготовления.
Предполагается, что при вращении нанопластин в магнитном поле будут создаваться вторичные конвекционные потоки, ускоряющие диффузию в микроканале. Для достижения данного эффекта были предложены магнитножёсткие нанопластины гексаферрита стронция. Соответственно, целью настоящей работы является создание наноротаров, основанных на возможности контролируемого вращения нанопластин, для управления электропроводностью коллоидных растворов, а также для создания конвекционных потоков, ускоряющих перенос вещества в ламинарных системах.
Синтез наночастиц гексаферрита стронция проводился методом кристаллизации стекла с последующим растворением матрицы [3]. Стекло состава 4Na2O — 9SrO — 5.5Fe2O3 — 4.5Al2O3 — 4B2O3 получали сплавлением смеси прекурсоров: SrCO3; Fe2O3; NaHCO3; Al2O3; H3BO3 при температуре 1350 °C в платиновом тигле. Расплав закаливали на металлических валках. Кристаллизацию стекла проводили при температуре 700 °C в течении 2 часов. Результатом отжига стал рост наночастиц гексаферрита стронция в стеклянной матрице. На заключительном этапе осуществляли растворение матрицы в разбавленной соляной кислоте (3%) и перевод нанопластин в коллоидный раствор в ходе ультразвуковой обработки.
В ходе работы было измерено магнетосопротивление магнитной жидкости в переменном магнитном поле. Было зарегистрировано существенное увеличение проводимости «электромагнитной жидкости», возрастающее с частотой магнитного поля. Подобный рост может быть связан как с разогревом магнитной жидкости вследствие колебания частиц (температура раствора достигала 42°C в ходе эксперимента), так и с перемешиванием жидкости вращающимися магнитными нанопластинами.
Для выяснения основной причины роста проводимости в переменном магнитном поле, мы исследовали зависимость тока электрохимической ячейки под действием вращающегося магнитного поля (создаваемого магнитной мешалкой без разогрева). В качестве электрохимической ячейки был использован коммерческий электрод на основе берлинской лазури (ООО “Русенс”, лаборатория электрохимических методов анализа, химический факультет МГУ). Для уменьшения ионной силы раствора (чтобы избежать выпадения частиц) в качестве электролита использовали раствор 0.05 мМ H2O2 в 1 мМ KCl. При этом на электродах протекали следующие химические реакции:
Н2О2 + 2е = 2ОН-
Ag = Ag+ + e
В ходе измерений была зарегистрирована зависимость тока короткого замыкания электрохимических ячеек Ag/H2O2(KCl)/KFe[Fe(CN)6] и Ag/H2O2(KCl+нанопластинки)/KFe[Fe(CN)6] при воздействии вращающегося магнитного поля. В отсутствии наночастиц, включение вращающегося магнитного поля не приводило к каким-либо изменениям тока электрохимической ячейки, тогда как в присутствии магнитных нанороторов ток возрастал примерно в 10 раз. При этом отклик электрохимической ячейки при постоянном токе составлял менее 5 с, что говорит о создании конвективных потоков в растворе благодаря вращению наночастиц (в отличие от возрастания тока вследствие нагревания раствора). Таким образом движение частиц в переменном и вращающемся магнитном поле вызывает конвекцию в жидкости, что приводит к значительному росту электропроводности раствора.
Для иллюстрации возможности смешения жидкостей в микрокапилляре с помощью нанопластинок гексаферрита стронция под действием вращающегося магнитного поля был проведен эксперимент по смешению двух жидкостей (этиленгликоля и воды) в Т-образном соединении микрокапилляров. В обе жидкости предварительно добавляли коллоидные растворы нанопластинок. Жидкости одновременно прокачивали через канал с расходом 1 мл/ч (этиленгликоль) и 5 (вода) мл/ч. В отсутствии магнитного поля смешения жидкостей не наблюдалось на всем протяжении канала, о чем судили по наличию выраженного интерфейса между жидкостями. В то же время, при воздействии переменного магнитного поля (25 Э, 500 Гц) наблюдалось смешение жидкостей, что было проиллюстрировано сканированием интенсивности и фазы магнитооптического отклика в геометрии “на просвет”.
Таким образом, коллоидные растворы магнитотвердых нанопластин SrFe12O19 могут быть с успехом использованы как для создания магнеторезистивных сенсоров, так и для перемешивания жидкостей и усиления переноса вещества в растворах.
Список литературы:
- Fallahi H. et al. Flexible microfluidics: Fundamentals, recent developments, and applications // Micromachines. 2019. Vol. 10, № 12.
- Pradeep A. et al. Enhancement in mixing efficiency by ridges in straight and meander microchannels // Chem. Eng. Process. — Process Intensif. 2021. Vol. 159.
- Kushnir S.E. et al. Synthesis of colloidal solutions of SrFe12O19 plate-like nanoparticles featuring extraordinary magnetic-field-dependent optical transmission // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22, № 36. P. 18893–18901.
- Eliseev A.A. et al. Tunable order in colloids of hard magnetic hexaferrite nanoplatelets // Nano Res. 2022. Vol. 15, № 2. P. 898–906.