Un groupe de scientifiques de MSU, Institut Frumkin de chimie physique et d'électrochimie de l'Académie des sciences de Russie, et Juelich Research Center ont décrit le mécanisme d'apparition d'une force de portance inertielle agissant sur des particules de taille finie dans des microcanaux. De tels calculs n'étaient auparavant possibles que pour certains cas spécifiques. Une description plus précise permet d'utiliser cet ascenseur inertiel pour le tri des particules. L'étude a été publiée dans Journal de mécanique des fluides .

Les auteurs des travaux ont étudié les forces agissant sur les particules dans les microcanaux. Le comportement des particules dépend du nombre de Reynolds, qui est le rapport des forces d'inertie aux forces visqueuses dans un liquide. À un nombre fini de Reynolds, de petites particules migrent à travers les lignes de courant jusqu'à certaines positions d'équilibre dans les microcanaux. Cette migration est attribuée à l'action des forces de portance inertielle.

Des calculs précis des migrations de particules dans les microcanaux permettront de les utiliser pour trier les cellules saines des cellules cancéreuses. Puisqu'il y a plusieurs forces agissant simultanément sur les particules, leurs migrations sont difficiles à interpréter théoriquement. Les études antérieures n'ont porté que sur quelques cas spécifiques simples, comme la migration de particules ponctuelles, dont la taille est ignorée, ou des particules de taille finie se déplaçant au voisinage d'une seule paroi.

"La microfluidique inertielle est largement connue et utilisée, mais jusqu'à présent uniquement à des nombres de Reynolds élevés, conditions difficiles à générer dans les microcanaux puisque le pompage du liquide nécessite une chute de pression énorme. Par conséquent, les dispositifs modernes de séparation inertielle des particules utilisent des canaux assez larges, " a déclaré Evgeny Asmolov, un co-auteur de l'ouvrage, associé de recherche principal de l'Institut de mécanique, MSU, et principal associé de recherche de l'IPCE.

La nouvelle étude propose une théorie plus générale, qui décrit une portance hydrodynamique de particules de taille finie dans des microcanaux. En outre, les auteurs ont réussi à rendre compte de l'interaction particule-paroi et à analyser le comportement de particules de densité différente. Si la densité d'une particule diffère de celle d'un liquide, la force de portance sera équilibrée par la gravité et la force de flottabilité. Ces deux forces supplémentaires peuvent déplacer les positions d'équilibre voire provoquer leur disparition.

Les scientifiques ont validé la nouvelle théorie en utilisant des simulations informatiques. D'après leurs résultats, les nouvelles formules se tournent vers celles obtenues plus tôt dans les cas limites correspondants. De plus, les physiciens ont analysé plusieurs paramètres expérimentaux typiques pour prédire le comportement des particules.

« D'après nos prévisions, même à faible nombre de Reynolds, des particules sphériques peuvent décoller en tournant des parois d'un microcanal, comme des avions. Ils volent alors à certaines distances des murs, qui ne dépendent que de leur densité et de leur rayon, en formant des chaînes. Ces chaînes de particules peuvent être facilement séparées dans des dispositifs de laboratoire sur puce, et le fractionnement dans ce cas est plus efficace que dans les canaux larges et aux nombres de Reynolds élevés, " dit Olga Vinogradova, un co-auteur de l'ouvrage, professeur de la faculté de physique, MSU, et chef de laboratoire à l'IPCE.