"Создавая ультразвуковые волны на поверхности пьезоэлектрической подложки, мы можем индуцировать вращение в капле жидкости, которая покоится на этой подложке", - объясняет Чуйи Чен, доцент кафедры механики и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина и соавтор статьи об этой работе. "Колебания ультразвуковых волн заставляют жидкость внутри капли течь по кругу, но поверхностное натяжение капли препятствует ее растеканию в виде плоского слоя. Комбинация сил, создаваемых ультразвуковыми волнами, вращающейся каплей и жидкостью, движущейся внутри капли, заставляет частицы внутри капли двигаться по спирали, по существу, закручиваясь в каплю штопором, чтобы собраться вместе в центральной точке.

"Это новый способ концентрирования твердых частиц в жидком растворе, который может быть чрезвычайно полезен", - говорит Чен. "Например, концентрация содержимого ячейки могла бы облегчить датчикам обнаружение соответствующих материалов для биомедицинских анализов".

Но для того, чтобы разработать технологии, использующие это явление, исследователям необходимо точно понять, что им движет.

"Эта статья является значительным достижением, поскольку в ней подробно излагается физика, ответственная за управление частицами внутри капли", - говорит Чен. "Теперь, когда мы понимаем задействованные силы, мы можем принимать обоснованные решения и разрабатывать технологии для контролируемой концентрации частиц в образце жидкости".

Одним из ключевых аспектов этих результатов является то, что вы можете влиять на движение частиц внутри капли, манипулируя любым из нескольких параметров: поверхностным натяжением жидкости, радиусом капли и амплитудой ультразвуковых волн.

"Это дает нам множество механизмов для точной настройки вращения системы и поведения частиц", - говорит Чен.

В дополнение к своей потенциальной полезности в биомедицинских приложениях, новая методика также перспективна для использования при изучении целого ряда исследовательских вопросов, связанных с физикой вращающихся систем.

"Например, мы можем создавать вихревые потоки, подобные торнадо, или изучать транспорт, управляемый Кориолисом, в очень малых масштабах", - говорит Чен. "Это позволяет нам исследовать физические вопросы компактным, легко наблюдаемым и относительно недорогим способом по сравнению с более масштабными методами".

Работа была выполнена при поддержке Национального института здравоохранения в рамках грантов R01GM132603 и R01GM141055; и Национального научного фонда в рамках гранта 2104295.