Исследователи БФУ имени И. Канта совместно с коллегами рассчитали, как влияют стенки капилляров на течение внутри них жидких кристаллов: оказалось, прежде чем стать равномерным, поток переживает «кувыркания» молекул из-за их взаимодействия с каналом. Такие системы очень чувствительны к внешним воздействиям, а потому могут стать основой высокоточных сенсоров для самых разных областей — от физики и печати до медицины и микробиологии. Статья по работе опубликована в журнале Journal of Molecular Liquids.
Жидкокристаллические материалы представляют собой вязкие жидкости, молекулы которых упорядочены определенным образом. Под действием электрического поля эти частички вытянутой или дискообразной формы переориентируются и начинают иначе отражать свет. Именно это свойство позволяет применять жидкие кристаллы в качестве дисплеев различных устройств. Однако этим их польза для человека не ограничена. Благодаря высокой чувствительности к внешним факторам и простоте конструкции материалы могут быть и сенсорами, например в микро- и нанофлюидике. Эти области науки изучают поведение очень малых объемов жидкости, что может быть полезно в микробиологии, оптике и многих других областях.
«Сенсоры на жидких кристаллах представляют собой крошечные устройства из разветвленных капилляров, по которым под действием электрического поля и течет материал. Благодаря своей чувствительности последний может менять свои свойства даже при взаимодействии со стенками канала, а значит, для разработки новейших высокоточных устройств нужно учитывать такие процессы», — поделился один из авторов исследования, Павел Масленников, кандидат биологических наук, доцент института живых систем Балтийского федерального университета имени И. Канта (Калининград).
Ученые из БФУ имени И. Канта совместно с коллегами из Института проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург) и Познанского университета экономики и бизнеса (Польша) исследовали, как формируются жидкокристаллические потоки в сложных микроскопических каналах. Экспериментальное изучение очень сложно из-за некоторых физических механизмов, а потому авторы применили методы численного моделирования. Расчеты показали, что стенки капилляра оказывают большое влияние на то, каким будет поток жидкого кристалла. Так, молекулы материала активно взаимодействуют с каналом и при движении сначала как бы «кувыркаются», из-за чего поток становится турбулентным, или вихревым. Спустя некоторое время система стабилизируется и содержимое капилляра движется плавно и равномерно — в ламинарном потоке.
«Численные методы позволили выяснить роль ограничивающих поверхностей в характере формирующегося жидкокристаллического потока. Все это представляет собой большую практическую ценность, ибо уже на этапе проектирования новых семейств сенсоров и датчиков мы можем ответить на многие вопросы. Например, подходит ли вообще данный тип кристалла в качестве материала. Практическая ценность численного моделирования сложных процессов, протекающих в микро- и наноразмерных каналах и капиллярах, состоит также и в том, что эти методы позволяют описать во всех подробностях возможный сценарий развития того или иного процесса, что невозможно порой сделать экспериментальными методами. Следует также отметить, что конструирование таких высокоточных экспериментальных установок требует больших финансовых затрат. Все это ставит вычислительные методы, реализованные в рамках реалистических молекулярных моделей, с выгодной стороны по сравнению как с чисто аналитическими, так и с экспериментальными подходами», — добавил Александр Захаров, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института проблем машиноведения РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
