مسئله مولتی فیزیک آکوستوفوئیدیک: آکوستوفورزیس میکروذره

استفاده از امواج صوتی برای دستکاری ذرات معلق مانند سلول‌ها، الهام‌بخش کار بسیاری از محققان بوده و راه را برای حوزه آکوستوفلویدیک فراصوت هموار کرده است. این دستکاری به روش‌های مختلفی انجام می‌شود، از جمله استفاده از امواج صوتی حجیم (BAW) و امواج صوتی سطحی (SAW)، و همچنین نیروهای تشعشع صوتی و درگ ناشی از جریان صوتی . دو مورد آخر با هم ترکیب می شوند تا حرکت آکوستوفورتیک ذرات معلق را ایجاد کنند. به عنوان مثال ، حرکت با استفاده از صدا، و روش‌ها ابزاری را برای دستکاری سلول‌های زنده بدون برچسب ارائه می‌کنند – و همچنین با هزینه کم. این به لطف سهولت ساخت میکرو دستگاه های آزمایشگاه روی تراشه و MEMS و هزینه پایین مبدل های اولتراسوند است.

مطالعه عددی آکوستوفورزیس ریز ذرات

نیروهای تابشی مستقیماً روی ذرات اثر می‌گذارند و به دلیل انتقال تکانه زمانی که میدان صوتی روی ذرات پراکنده می‌شود اتفاق می‌افتد (این نیرو به کنتراست در خواص مکانیکی بین ذره و سیال معلق بستگی دارد). کشش ناشی از جریان به این دلیل اتفاق می‌افتد که میدان صوتی با سیال تعامل می‌کند و جریان توده‌ای ثابت ایجاد می‌کند. هر دو این اثرات غیرخطی هستند و مقیاس متفاوتی دارند (تفاوت نتایج را در شکل‌های زیر ببینید). فرآیندها مدل‌سازی شده و در شبیه‌سازی‌های مولتی‌فیزیک COMSOL ارائه شده‌اند که در مقاله‌ای که من با استاد ناظر پایان‌نامه دکترای سابق خود پروفسور H. Bruus و دو تن از دانشجویان دکترای او PB Muller و R. Barnkob نوشتم، با عنوان “مطالعه عددی آکوستوفورزیس ریز ذرات” ارائه شده است . توسط نیروهای تشعشع صوتی و نیروهای کششی ناشی از جریان هدایت می شود“، در آزمایشگاه روی یک تراشه 12، 4617-4627، (2012). گروه پروفسور H. Bruus بر روی جنبه های نظری جریان سیال در مقیاس میکرومتر (میکروسیال) کار می کند، زیر مجموعه ای از این آکوستوفلویدیک است.

یک مسئله چندفیزیکی واقعی ایده آل برای COMSOL

همانطور که ما شروع به کار در مورد چگونگی حل مشکل ترکیبی تشعشع و جریان کردیم، به ذهنم رسید که این یک مشکل ایده آل برای حل در COMSOL به عنوان یک مسئله چندفیزیکی واقعی است. مشکل با استفاده از عملکرد ماژول‌های Acoustics ، CFD و Particle Tracing حل می‌شود .

مشکل آکوستوفورز تقریباً به صورت زیر حل می شود:

ابتدا میدان صوتی با استفاده از رابط ترموآکوستیک حل می شود . بسیار مهم است که ویسکوزیته و هدایت حرارتی را به طور صریح لحاظ کنیم زیرا ما نیاز به مدل‌سازی و تفکیک لایه مرزی نازک آکوستیک با جزئیات داشتیم. در این لایه با ضخامت میکرومتر است که برخی از اثرات غیرخطی قوی ترین هستند. رابط Thermoacoustic معادلات خطی شده Navier-Stokes، تداوم و انرژی را برای یک سیال تراکم پذیر حل می کند.

دوم، محصولات میدان صوتی (مرتب اول) به عنوان اصطلاحات منبع در رابط جریان تک فاز استفاده می شوند . دو منبع از معادلات بیرون می‌آیند: یکی مربوط به نیروی حجمی و دیگری مربوط به منبع جرمی است.

در نهایت، رابط ردیابی ذرات برای ردیابی و مدل‌سازی حرکت ذرات استفاده می‌شود. در اینجا ما هم نیروی تشعشع آکوستیک (که از میدان صوتی به دست می‌آید) و هم کشش چسبناک ناشی از جریان پس‌زمینه ناشی از جریان را شامل می‌کنیم.

مقاله آکوستوفورز میکروذره ما به وضوح نشان می دهد که چگونه می توان از COMSOL برای حل و جفت کردن تقریباً هر پدیده فیزیکی توصیف شده توسط معادلات دیفرانسیل جزئی و یک سیستم معادلات دیفرانسیل معمولی استفاده کرد. ماهیت باز (غیر جعبه سیاه) COMSOL به ما این امکان را می دهد که فیزیک موجود را برای مطابقت با معادلات این برنامه پیشرفته ویرایش و اصلاح کنیم. این به وضوح COMSOL را به انتخاب ایده آل برای هر محققی که مسائل غیر استاندارد را حل می کند تبدیل می کند.

شکل (برای متحرک سازی روی تصاویر کلیک کنید): حرکت ذرات پلی استایرن در آب در مقطع میکروکانالی 360 میکرومتر در 160 میکرومتر. ذرات کوچک با قطر 0.5 میکرومتر که در آن حرکت توسط کشش ناشی از جریان (بالا) کنترل می شود، و ذرات بزرگ با قطر 5 میکرومتر که در آن حرکت توسط نیروی تابش صوتی (پایین) کنترل می شود.