Ученые БФУ имени Иммануила Канта численно описали, как движутся микроскопические потоки вещества в жидких кристаллах под влиянием изменения температуры. Оказалось, что направление и скорость движения компонентов жидких кристаллов зависят от того, с какой стороны нагревается материал. Полученные данные будут полезны при разработке микрофлюидных устройств, которые могут использоваться в системах доставки лекарств и биомедицинских датчиках. Результаты исследования опубликованы в журнале Crystals.
Жидкие кристаллы представляют собой материалы, в которых сочетаются свойства жидкостей и твердых тел. Они, как жидкости, текучи, но, подобно твердым телам, имеют неравномерную структуру. Жидкие кристаллы широко используются в дисплеях и температурных детекторах благодаря их способности менять цвет при изменении окружающей среды (например, температуры, напряжения магнитного или электрического полей). Однако до сих пор не до конца понятно, как можно эффективно управлять свойствами жидких кристаллов, заключенных в микро- или наноканалах, — элементах микрофлюидных устройств. Такие конструкции перспективны в медицине: на их основе можно создавать системы доставки лекарств и биосенсоры. Использовать для управления электрические поля в этом случае не всегда возможно, поскольку они способны повреждать биологические образцы. Альтернативой могут служить температурные градиенты — плавные изменения температуры в жидкости, — которые позволяют мягко управлять движением молекул.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград), Института проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург) и Экономического университета в Познани (Польша) математически описали поведение слоя жидкого кристалла толщиной 10 микрометров, зажатого между двумя поверхностями с разной температурой.
Расчеты показали, что направление нагрева сильно влияет на то, куда и как быстро жидкость будет течь. Так, если нагревать поверхность, расположенную над жидким кристаллом, вещество начнет «убегать» от горячей зоны вниз, создавая поток вдоль нижней холодной поверхности. Если нагревать нижнюю поверхность, жидкость, наоборот, начнет двигаться вверх, но медленнее, и основной поток возникнет в центре слоя жидкого кристалла.
При этом авторы математически доказали, что на потоки жидкости в микроскопическом канале сильно влияет сжимаемость жидкого кристалла — его способность изменять свою плотность под внешним воздействием. Так, в отличие от несжимаемых (или практически несжимаемых) жидкостей, например воды, жидкие кристаллы формируют сложные трехмерные потоки. Их необходимо учитывать при проектировании микрофлюидных систем, где важно точно контролировать движение вещества. «Мы математически показали, как с помощью температурных градиентов можно контролировать микроскопические течения в жидкокристаллических системах. Эти знания будут полезны в микрофлюидике, материаловедении и электронике. Так, например, управление движением жидкости с помощью температуры можно использовать в системах доставки лекарств и микрочипах для анализа крови, где разные зоны нагрева направляют капли с образцами в нужные места», — рассказывает Павел Масленников, кандидат биологических наук, сотрудник лаборатории природных антиоксидантов, доцент ОНК «Институт медицины и наук о жизни».
В дальнейшем авторы планируют перейти от теоретического описания к экспериментам, расширить модель для более сложных условий и создать прототипы микрофлюидных устройств. Это позволит не только лучше понять термомеханические эффекты в жидких кристаллах, но и расширить их применение в реальных технологиях — от биомедицинских датчиков до «умных» материалов нового поколения.