Капиллярные движения пузырьков и капель, управляемые тепловым воздействием света тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ИВАНОВА Наталья Анатольевна

КАПИЛЛЯРНЫЕ ДВИЖЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ И КАПЕЛЬ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЕТА

01 02 05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тюмень - 2004

Работа выполнена на кафедре радиофизики Тюменского государственного университета в лаборатории "Жидкостные микрогравитационные технологии"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, доцент

Безуглый Борис Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Кутушев Анвар Гумерович

доктор физико-математических наук, профессор

Ролдугин Вячеслав Иванович

Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 22 декабря 2004 г. в // мин. на заседании

диссертационного совета ДМ 212.274.09 в Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская 15а, ауд. <2/ Физического факультета ТюмГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета.

Автореферат разослан Ьл^О.^. Ъ2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Татосов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение движения микроколичеств жидкости (пузырьков и капель) под влиянием внешних полей является важной задачей в физико-химической технологии и в космическом материаловедении. За последнее десятилетие, в связи с развитием микрофлуидики — новой междисциплинарной области науки и техники, данная проблема приобрела еще большую актуальность. Через понимание механизмов взаимодействия капиллярных объектов с внешней средой и полями, микрофлуидика ставит целью разработать не только способы создания движения пузырьков и капель, но и манипуляции ими (изменение формы, деление, слияние и т.п.).

Одним из немногих направлений, удовлетворяющих поставленным требованиям, можно считать направление, основанное на явлении фотоиндуцированной концентрационнокапиллярной (ФКК) конвекции, открытом Б.А. Безуглым в 1975 г. [1]. Суть ФКК состоит в том, что капиллярное движение микроколичеств жидкости вызывается путем локального тепло- и массопереноса через поверхность раздела фаз, управляемого тепловым действием пучка света.

Несмотря на то, что ФКК уже стала основой уникальных технологий, таких как термотензография [1,2] и бесконтактное разделение смесей на компоненты [3,4], возможность ее применения в микрофлуидике для создания методов манипуляции пузырьками и каплями до недавнего времени не была использована исследователями. Это связано с отсутствием данных о механизмах взаимодействия пучка света с указанными капиллярными объектами.

В данной работе изучены капиллярные механизмы движения пузырьков за пучком света и впереди него, а также кинетика роста капель в газовых пузырьках находящихся в ячейке Хеле-Шоу под действием ФКК конвекции. Продемонстрированы такие манипуляции с пузырьками как изменение формы и деление пучком света.

Предложена и экспериментально доказана возможность использования термокапиллярного (ТК) движения газового пузырька, управляемого тепловым действием света для разработки метода прокачки жидкости в микрофлуидных устройствах. Исследованы оптические свойства аномальной капли, сформированной под действием КК сил управляемых пучком света, с целью их применения в адаптивной оптике и оптоэлектронике. В частности, на основе аномальной капли разработана варифокальная микролинза самоцентрирующаяся в центр управляющего ею пучка.

Цель работы — исследовать движение пузырьков и капель и эволюцию капель в пузырьках под действием капиллярных сил, индуцированных пучком света; подтвердить возможность применения в микрофлуидных устройствах пузырьков и капель, размер, форма и положение которых управляется тепловым действием пучка света.

Научная новизна.

1) Впервые детально изучены ТК и КК механизмы движения пузырьков управляемых пучком света в ячейке Хеле-Шоу.

2) Предложен и использован новый подход к определению скоростей ТК и КК течений на границе пузырька, основанный на принципе аддитивности статической и динамической кривизны поверхности раздела фаз [5].

3) Продемонстрировано использование индуцированного и управляемого пучком света ТК механизма движения пузырька для прокачки жидкости в микроканалах.

4) Изучены оптические свойства аномальной капли управляемой КК силами, индуцированными пучком света.

Практическая ценность. Предложен новый подход к определению скорости ТК и КК течений. Показана возможность таких манипуляций с пузырьками как изменение их формы и деление пучком света. ТК механизм движения пузырька за пучком света применен для создания действующей модели пузырькового микронасоса. Оптические свойства аномальной капли использованы для разработки адаптивной микролинзы, самоцентрирующейся в пучке света.

Достоверность полученных результатов основана на тщательной разработке методик экспериментов и подтверждается их воспроизводимостью.

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментального исследования ТК и КК механизмов движения пузырьков управляемых тепловым действием пучка света в ячейке Хеле-Шоу.

2) Подход к определению скорости ТК и КК течения на границе пузырька, основанный на принципе аддитивности статической и динамической кривизны.

3) Практические применения пузырьков и капель управляемых ТК и КК силами, вызванными тепловым действием пучка света в микрофлуидике и адаптивной оптике.

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на научных семинарах лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии» Тюменского госуниверситета и лаборатории MEMS Samsung Advanced Institute of Technologies (Южная Корея, 2002-2003); доложены на Международной конференции «Передовые технологии на пороге XXI века». Москва, октябрь 1998; Третьем Международном Аэрокосмическом конгрессе, Москва, август 2000; First Conference of The International Marangoni Association. Гиссен, Германия, сентябрь 2001; XII Международной конференции «Поверхностные силы», Звенигород, июнь-июль 2002; International Marangoni Association Congress, Брюссель, Бельгия, июль 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 статьи в академических журналах и 2 патента РФ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы. Полный объем работы 153 стр., включая 84 рис. и 14 табл. Библиография содержит 214 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, перечислены защищаемые положения, приведена аннотация содержания по главам.

В первой главе обобщены литературные данные о феноменологических представлениях о ПН и его зависимости от физико-химических свойств жидкости. Дано описание явления ФКК конвекции. На основе критического обзора литературы по способам создания движения капиллярных объектов и управления ими в микрофлуидике, предложена классификация типов течения и указано место нового подхода, развиваемого в данной работе. Классификация позволяет выделить два, сложившиеся к настоящему времени направления в микрофлуидике, и имеет методическое значение, позволяя выбирать оптимальный способ для решения практических задач.

Во второй главе представлены результаты исследования фотоиндуцированного ТК движения пузырьков в ячейке Хеле-Шоу. Детально

ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРОМАСШТАБЕ

I

Изменение кривизны ПРФ бет =0, 6Я*0

Капиллярные течения Яр~8Н

Изменение ПН и кривизны ПРФ бст Ф 0, &НФ 0

=Е

Марангони течения

I

Течения при смачивании

ТК течения, УГ-> Vа Изменение Т на поверхности жидкости или вдоль подложки

КК течения, УС Уо

Изменение С или химической структуры компонентов

Электрохимические течения У^> -> Уст Изменение хим. состояния компонетов электрическим полем

Фотонндуцированные ТК и КК течения [Безуглый, 1975],

(.Уст

ЭК течения, V<р -> Уа

Управляемые электрическим полем

Опто-ЭК течения, У/->У0>-> Уа Управляемые пучком света и электрическим полем

КК течения, Уо

Управляемые путем изменения химической структуры подложки

Обозначения- ПРФ - поверхность раздела фаз, ПН - поверхностное натяжение, С -концентрация, Т - температура, I -интенсивность пучка света, 5" -смачиваемость, <р - электрический потенциал, р -давление.

Рис. 1. (а) Установка: 1 - источник света (ДРШ-100), 2,3,4 - оптическая система для фокусировки пучка (его диаметр в фокусе 0 6 мм, полная мощность 200 мВт), 5 - ячейка Хеле-Шоу, б - микроскоп, 7 - видеокамера 8 - компьютер для цифровой обработки результатов, (б) Сечение ячейки: 1 -кварцевая пластина, 2 - прокладка, 3 -полость с жидкостью, 4 - пузырек, 5 -диски, 6- прижимные винты, 7 - пучок света спроецированный в ячейку, (в) -Фото ячейки сверху.

изучен механизм ТК движения пузырька за пучком света. Предложен новый подход к оценке скорости ТК течения на облучаемой поверхности пузырька.

Схема установки и ячейка Хеле-Шоу показаны на Рис. 1. Пузырьки создавали следующим образом: на одну из пластин 1, Рис. 1(б), помещали тефлоновую пленку 2 толщиной (10, 50 или 70 мкм) с прорезанными в ней отверстиями (2x2 см), получая, таким образом, микрорезурвуар, в который пипеткой вносили несколько капель жидкости 3. Накрывали второй пластиной и помещали всю конструкцию между кольцевыми дисками, которые стягивали винтами, (б-в). Как правило, жидкость распределялась так, что в ячейке оставался один или несколько воздушных пузырьков 4 различного диаметра, окруженных со всех сторон жидкостью. За критерий величины пузырька приняли отношение его диаметра к диаметру пучка света, D/d = D . При D й 1 пузырек считали малым, а при D >1 - большим. Рабочими жидкостями служили поглощающие излучение растворы TAB1': CuBr2 и 12 в этаноле, ацетоне и в бутаноле, а также спиртоводные смеси (10:1), окрашенные родамином G или фуксином. Концентрацию растворов подбирали так, чтобы обеспечить достаточное для возбуждения ТК эффекта поглощение излучения, около 20% мощности пучка. Ячейку помещали на столике микроскопа так, чтобы граница какого-либо пузырька оказалась в области проекции пучка или на расстоянии порядка его диаметра, Рис. 1. В ходе экспериментов ячейку перемещали по предметному столику в произвольном направлении относительно пучка2) с максимально возможной скоростью, когда наблюдается движение пузырька, чтобы исключить испарение растворителя. При этом пузырек двигался в противоположном направлении, стремясь к пучку света.

Механизм ТК движения пузырька за пучком света

Основываясь на экспериментальных данных, а также на анализе результатов исследований ТК деформации тонкого слоя жидкости вызванной пучком света

TAB - малолетучая компонента раствора с ростом концентрации которой, поверхностное натяжение раствора растет [1]

2) Для удобства, далее будем говорить о смещении пучка относительно ячейки

Рис 2 а) Пузырек, движущийся за пучком света в ячейке А = 50 мкм, с раствором СиВгг в этаноле Стрелка - направление движения б) Схема 1 - ТК течения на ПРФ и в объеме жидкости, 2 - проекция пучка света

[6,7], установлен следующий механизм ТК движения пузырька в ячейке Хеле-Шоу за пучком света При нагреве пучком света жидкости, прилегающей к ПРФ, происходит локальное уменьшение ПН, что приводит к появлению касательных напряжений, которые создают ТК течения жидкости по ПРФ, направленные к ее холодным участкам Рис. 26. Из-за вязкости жидкости, ТК течения вызывают ее унос из области нагрева, что приводит к локальной деформации равновесной ПРФ, с дополнительной кривизной Н^,, Рис. 2а. Эта

деформированная ПРФ создает избыточное капиллярное давление в пузырьке, связанное с Нф, соотношением Р^^а-Нф,. Область с отрицательным давлением, возникшая под деформированной ПРФ, вызывает возвратные потоки, порождая на ней два согласованных конвективных вихря, Рис. 2б, действующих как мотор, приводящий ПРФ в движение. Опыт с трассерными частицами показал существование ТК вихрей в жидкости у облучаемой ПРФ, Рис. 3.

Найдено, что частота вращения вихрей, и их размер зависят от расстояния центра проекции светового пучка до границы пузырька, Рис. 3. За размер ТК вихря, принят диаметр кольцевой линии тока, прилегающей

непосредственно к ПРФ и ограниченной областью светового пятна, Рис. За. Установлены обратные пропорциональности частоты вращения вихря и кривизны ПРФ от размера вихря, При удалении центра

пучка на расстояние более его диаметра, вихри затухают, а кривизна ПРФ стремится к кривизне пузырька в состоянии покоя,

Рис 3 Форма ТК вихря а) Центр пучка находится вблизи ПРФ, частота вращения / > 10 с"1, 6) на расстоянии около своего радиуса, /»4 + 6с"',ив) немногим более радиуса, 1 с"1. Слой раствора СиВгг в ацетоне с А = 50 мкм

Рис. 4. Формы пузырьков, а) и б) Круглый пузырек и овал наблюдаются в бутаноле и этаноле; в) удлиненный овал - в этаноле, ацетоне; г) длинная «псевдоподия» в спиртсводной смеси и д) короткая «псевдоподия» в этаноле, ацетоне Стрелки -направление движения пучка Масштаб для всех кадров указан на кадре д.

Определение скорости ТК течения на ПРФ

Новый подход к определению скорости на ПРФ и,, основан на условии равенства капиллярного давления в пузырьке, создаваемого локальной кривизной ПРФ и динамического давления, создаваемого ТК течениями,

Здесь Науп, согласно свойству аддитивности кривизн доказанному в [5], связана с суммарной кривизной облучаемой ПРФ Н при движении пузырька, и кривизной пузырька в состоянии покоя Я,, соотношением Науп —Н-Н3.

Для измерения Н разработана методика «подстройки окружности»: предполагая, что деформированная ПРФ представляет собой участок некой окружности, достраивали эту окружность на кадрах и измеряли ее радиус кривизны, как показано на Рис. 3. Оценки скорости ТК течения, полученные по формуле (2.1), для пузырьков в слоях изучаемых жидкостей, толщинами 10 и 50 мкм, даны в Табл. 1. Разница между значениями и,, полученными по (2.1) и оцененными из баланса потоков (при визуализации вихрей), составляет не более 20%, что говорит о достоверности предложенного подхода.

Таблица 1_

Толщина слоя (мкм) и5, мм/с (1.3 <£>* < 1 6, поглощаемая мощность 30мВт)

Ацетон Этанол Бутанол Спиртоводная смесь

10 350 270 340 _

50 250 160 180 140

Форма и скорость больших пузырьков

Форма пузырьков с при перемещении их пучком света с

максимальной скоростью заметно искажается. Обнаружено пять устойчивых форм пузырьков в зависимости от свойств жидкости, Рис. 4. Значительную деформацию испытывают пузырьки в жидкостях с высоким температурным коэффициентом ПН, а?. Предложена классификация пузырьков по форме в

системе координат относительной скорости и диаметра Рис. 5, где

Рис. 5. Зависимость иЛиь от О* для разных жидкостей и толщин слоев. 1,2- этанол, слой толщиной 10 и 50 мкм; 3,4 -бутанол, 10 и 50 мкм; 5 ацетон, 10 мкм; б - спиртоводная смесь окрашенная родамином, 50 мкм. Область (о) - пузырьки с незначительной деформацией или с короткими «псевдоподиями», (Ь) - овалы, удлиненные овалы и «змейки», (с) - пузырьки с длинными «псевдоподиями».

Рис. 6. Зависимость скорости пузырьков от мощности пучка в слоях ацетона и этанола толщиной 50 мкм. Диаметры пузырьков: 1.5 мм.

О 40 80 120 160 200 Р, мВт

и,- скорость облучаемой ПРФ, а иь - скорость «центра массы» пузырька. На совокупности полученных результатов выделено четыре области со значениям и{1иь, характеризующими различные формы пузырьков, Рис. 5.

При и,!иь = 1 (так называемая ось круглых пузырьков (ОКП)) пузырьки разного диаметра независимо от вязкости жидкости, имеют круглую или почти круглую форму. Большие пузырьки сохраняют круглую форму, если находятся в толстых слоях, И> 10мкм. В небольшом диапазоне 1<и,/иь <11.5 находятся пузырьки с незначительной деформацией (область а). Наибольшую деформацию испытывают пузырьки с £>* ¿1, для кото р/^'хР'оШл а с т и Ь и с).

С увеличением мощности пучка Р, скорость «центра массы» пузырька возрастает линейно для разных жидкостей и размеров пузырьков, Рис. 6. Скорость малых пузырьков в жидкостях с высоким значением отношения - ацетон) достигает более высоких значений, чем пузырьков в жидкости с меньшим а'т Iц (0.07 м-К/с - этанол). При этом значения иь в ацетоне почти в 5 раз превосходят ее значения для этанола. Пользуясь полученной зависимостью можно подбирать жидкости для более

эффективной ТК манипуляции пузырьками.

и/иг,

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

0-1 а-2 • -3 и 4 ______ А (с)

о-5 Л-6 -----в. о о Ф) □ И

\ ОКП

0 0.5 1 1.5 2 2.5 И'

/

Рис. 7. Схема механизма движения малого пузырька. 1 - проекция пучка света, 2 - ТК силы и течения, 3 - паровой поток растворителя, 4 - КК силы и течения, 5 - течение TAB с ведущей ПРФ, вызванное ускоренным ТК движением пузырька, 6 - отрицательные КК силы и течения, * - область с повышенным содержанием TAB. (д - ж) - кадры эксперимента в слое насыщенного раствора йода в этаноле толщиной 10 мкм. Интервал между кадрами 2 с. Скорость пузырька около 0.2 мм/с.

В третей главе представлены результаты исследования КК движения пузырьков перед пучком света. Изучен механизм такого движения пузырька перед пучком света. С использованием нового подхода (см. гл. 2) оценена скорость КК течения на облучаемой ПРФ. Показана возможность деления пузырька КК вихрями, управляемыми пучком света.

Движение пузырьков под действием КК сил наблюдается при условии, сг'сАС >сг'тАТ, которое в данной работе обеспечивали уменьшением скорости смещения пучка, что приводило к усилению испарению растворителя с ПРФ и росту концентрации TAB,

Движение малых пузырьков под действием КК сил

Впервые обнаружено и исследовано движение пузырьков с D* <1 перед пучком света, предложен и экспериментально подтвержден его механизм. Малый пузырек, двигаясь за счет ТК сил в пучок, Рис. 1а, с ускорением пересекает границу пучка и на его ведущей ПРФ начинается испарение растворителя, что ведет к увеличению В этот момент перепад на

ведущей ПРФ еще недостаточен, чтобы преодолеть резко возросший перепад Т, и пузырек под действием ТК сил, продолжает ускоренное движение в

нагретую область. TAB, накопившееся на ведущей ПРФ, сносится течением вдоль боковой поверхности пузырька к его кормовой ПРФ, (в). Когда вся поверхность пузырька оказывается в пучке света, Т поверхности пузырька выравнивается и ТК течения затухают. Пузырек продолжает движение только за счет КК сил, вызванных повышенным содержанием TAB на кормовой ПРФ. Как только ведущая ПРФ выходит за границу нагретой области, с кормовой ПРФ вновь начинается испарение летучего растворителя и его конденсация на холодной ведущей ПРФ, (г). В этом случае, на кормовой ПРФ, за счет роста усиливаются толкающие КК силы, а на ведущей ПРФ, благодаря конденсации растворителя с меньшим значением ПН, чем у раствора, возникают тянущие отрицательные КК силы, (д). Эти силы ускоряют движение пузырька и удерживают его при движении перед пучком. На Рис. 7 (д-ж) показаны кадры, подтверждающие КК механизм движения пузырька. Темный след за пузырьком - область с повышенной Cls.

Деформация больших пузырьков

Изучение деформации больших пузырьков выполняли в слое модельной смеси (раствор фуксина в этаноле): вода (10:1), толщиной 50мкм. В случае больших пузырьков КК силы, действующие на облучаемой ПРФ, ведут к ее деформации. Пузырьки с 1<£)*<1.3 принимают форму овала, вытянутого в направлении движения, а пузырьки с D' > 1.5 принимают «фасолевидную» форму; их облучаемая ПРФ прогибается внутрь в виде мыса, Рис. 8.

Для определения скорости КК течения использовали формулу (2.1), а локальную кривизну вычисляли из выражения В случае

пузырьков, деформированных КК силами, окружность подстраивали, как показано на Рис. 8а (штриховой круг). Оценки скорости КК течения, на

D* 1 3 1 4 15 ' 2Q 25

и(/с) ,(мм/с) - 523 546 670 710

(мм/с) 128 144 154 - 176

- 4 4 - 5

границе пузырьков для модельной смеси, а также сделанные для сравнения оценки скорости ТКтечения, м^, приведены в Табл 2

Оказалось, что и^ в 4 - 5 раз превышает и^, что качественно согласуется с результатами измерения скоростей ТК и КК течений в работах по выращивании кристаллов из расплавов, где значения КК скоростей в несколько раз превышают скорости ТК течения

Деление пузырька пучком света

Деформация и деление пузырьков играют важную роль в физико-химических процессах, где требуется увеличение площади межфазной поверхности

Замечательной особенностью КК механизма управления пузырьками, по сравнению с ТК механизмом, оказалась возможность деления пузырьков Этот эффект впервые обнаружен автором в насыщенном растворе CuBr2 в ацетоне

для пузырьков с D" > 2 На Рис 9 показаны кадры процесса деления пузырька пучком света С увеличением кривизны мыса скорость испарения растворителя с его поверхности растет, а конвективное перемешивание с окружающим раствором из-за удлинения мыса затрудняется Это приводит к лавинообразному росту и, следовательно, к увеличению скоростного напора КК течения, которое продвигает мыс до встречи с противоположной ПРФ и, после их соединения, пузырек оказывается разделенным на две части При этом выгодным процесс разрыва будет, в том случае, когда размеры дочерних пузырьков равны

Эффект деления пузырьков воспроизводится в насыщенных растворах и в ацетоне, реже в насыщенных растворах фуксина в этаноле с водой, но не наблюдался в разбавленных (слабо поглощающих) растворах Установлены следующие параметры, которые влияют на процесс деления пузырька концентрация TAB, увеличение которой ведет к росту скорости КК течения, давление насыщенных паров, высокое значение которого способствуют испарению растворителя, а также размер пузырька, с ростом которого препятствующее деформации лапласово давление, уменьшается

Кинетика роста капли в пузырьках под действием пучка света

Выбор для исследования системы капля/пузырек, обусловлен ее ценным свойством - газ пузырька служит защитной оболочкой для находящейся в нем

капли, что необходимо в ряде микрофлуидных процессов Скорость роста капли является важной характеристикой, которая определяет быстродействие микрофлуидных систем.

Исследование кинетики роста капли проводили в слоях раствора йода в этаноле и смеси (раствор родамин G в этаноле) : вода, на установке показанной на Рис. 1. Пучок света фокусировали на пленку смачивания между стеклом и пузырьком. Нагрев пленки из-за поглощения излучения, сопровождается испарением растворителя и, как следствие, ростом ПН в зоне облучения, которое вызывает КК течение жидкости, формирующее каплю На Рис. 10 представлены зависимости диаметра капли в пузырьках разного размера от времени с начала облучения. В растворе йода в этаноле Рис. 10а, в пузырьке большего диаметра капля растет медленнее, чем в пузырьке малого диаметра, а в спиртоводной смеси наоборот, капля растет быстрее, Рис. 10б.

На скорость роста капли, помимо мощности пучка и концентрации TAB в растворе, влияет геометрия системы, а именно: толщина пленки смачивания и близость капли к границе раствора, что определяется размерами пузырька.

В малом пузырьке пленка смачивания толще и граница раствора ближе, чем в большом, что способствует притоку жидкости в каплю. Здесь имеет место ламинарный режим формирования капли, Рис. 10а. В большом пузырьке пленка смачивания тоньше, чем в малом, и кроме того с ее поверхности происходит испарение растворителя, из-за чего она становится неустойчивой и дробится на струйки и капельки. При таком режиме течения скорость роста капли замедляется.

В спиртоводной смеси наблюдается преимущественно валиковый режим течения. Диаметр такой капли определяли как разницу между внешним и внутренним диаметром валика. В малом пузырьке на внутренней поверхности валика действуют отрицательные КК силы, которые препятствуют росту капли, обусловленному КК течением жидкости с периферии пузырька Этот вывод подтверждается характерным увеличением внутреннего диаметра валика со

временем. Появление отрицательных КК течений связано, с конденсацией растворителя в центральной области пузырька, поскольку из-за отсутствия поглощающего свет красителя она холоднее, чем его периферия. В больших же пузырьках растворитель конденсируется преимущественно на холодную периферию пузырька, в силу ее удаленности от светового пятна. Конденсация растворителя в этом случае приводит к усилению КК течений формирующих каплю и скорость ее роста увеличивается. Это наглядно проявляется в уменьшении внутреннего диаметра валика со временем облучения пузырька.

В четвертой главе показана возможность практического применения пузырьков и капель, управляемых тепловым действием света в микрофлуидных устройствах.

Предложен и экспериментально апробирован способ прокачки жидкости через микроканалы с помощью пузырька, управляемого пучком света. Схема действующей модели пузырькового микронасоса показана на Рис. На. По методике, описанной во второй главе, в микрорезервуаре создавали два пузырька, с целью наглядно показать прокачку жидкости. Один из пузырьков служит поршнем, который приводится в движение пучком света, и толкает перед собой жидкость, а другой - индикатором движения жидкости, поскольку приводится в движение жидкостью проталкиваемой поршнем (б-г). В Табл. 3 сравниваются основные характеристики пузырькового микронасоса управляемого свето-индуцированным ТК эффектом с характеристиками других пузырьковых микронасосов. Преимущества предложенного способа прокачки по сравнению с существующими, следующие: 1) Использование холодного пузырька позволяет работать при перепадах температуры менее 10К, что важно для биологических применений; 2) Потребляемая мощность почти в 100 раз меньше, чем в известных методах; 3) В процессе прокачки возможна быстрая смена направления движения пузырька; 4) Используя каналы с гладкими стенками из материалов с хорошей теплоизоляцией, и подбирая излучение хорошо поглощаемое прокачиваемой жидкостью, можно существенно повысить скорость прокачки.

Показано, что аномальную каплю можно использовать в качестве адаптивной микролинзы. Изменение фокусного расстояния необходимо для многих оптических систем: проекционной и компьютерной техники, систем оптической связи и медицинской диагностики. Механическое решение в таких системах создает проблемы для проектировщика из-за высокой потребляемой мощности, медленного срабатывания, высокой цены и низкой надежности движущихся частей. Эти проблемы побудили разработчиков искать альтернативные подходы к созданию адаптивных оптических элементов. В данной работе предложен подход, который основан на использовании оптических и динамических свойств аномальной капли для создания ВСМ -варифокальной микролинзы самоцентрирующейся в пучок света.

Схема экспериментальной установки та же, что на Рис.1. Каплю диаметром около 130 мкм создавали под действием ФКК в растворе йода в этаноле с концентрацией 7г/л, который микропипеткой вносили в кювету. Для

предотвращения конденсации паров на верхней пластине кюветы, на ее внешнюю поверхность было нанесено прозрачное проводящее покрытие, служившее в качестве нагревателя. Мощность управляющего излучения изменяли в диапазоне от 48 до 200 мВт с помощью нейтральных светофильтров, осуществляя дискретное управление формой капли. Контрольную сетку с квадратными ячейками, которая служила объектом для построения изображения, помещали под предметным столиком микроскопа, на котором находилась кювета с каплей. Фокусное расстояние рассчитывали по формуле - расстояние между предметом и

микролинзой (каплей), 1т- длина стороны сетки (0.4 мм) /, - размер изображения сетки, построенной с помощью микролинзы.

Оптические и динамические свойства капли

На Рис. 12 показана зависимость фокусного расстояния F капли от мощности управляющего излучения. Увеличение фокусного расстояния от 0.7 до 6 мм при ослаблении мощности управляющего излучения от 200 до 48 мВт обусловлено тем, что ПН капли уменьшается, приводя к растеканию капли и увеличению ее диаметра от 130 до 330 мкм. Вследствие роста диаметра капли увеличивался и радиус ее кривизны, который связан с фокусным расстоянием. При мощности пучка меньше 48 мВт, центростремительное течение жидкости почти прекращалось, капля не удерживалась в пучке, уходила из него и растекалась.

Время отслеживания каплей пучка света, при его резком смещении на расстояние, равное диаметру капли, было менее 1 с при Р = 200 мВт, и возрастало до 6 с, при ослаблении Р до 80 мВт. Время полной перестройки формы капли, при изменении Р в 1.5 раза составляло около 3 с, а при ослаблении пучка в более чем 3 раза - не превышало 10 с.

Дальнейшая миниатюризация капли, как выяснилось в экспериментах, оказалась неэффективной. Так, для капли с начальным диаметром 80 мкм, изменение фокусного расстояния составило лишь а

минимальная Р, при которой капля еще удерживалась в пучке, оказалась более 80 мВт.

Разрешающая способность ВСМ, оцененная с помощью миры, оказалась 16 штрихов/мм Рис. 12а. Судя по фотографиям сетки (б), изображение имеет незначительные аберрации (бочкообразная дисторсия) вносимые мениском смачивания, поскольку искажение поля наблюдаются лишь по периметру ВСМ. Эти искажения можно исключить, если использовать в качестве подложки, прозрачные для излучения, гидрофобные материалы, на которых краевой угол смачивания для капли оказывается

Преимущества ВСМ на основе аномальной капли по сравнению с существующими жидкими микролинзами показаны в Табл. 4. По ряду характеристик, таких как диапазон перестройки фокусного расстояния, бесконтактный способ управления им, размер капли, а также способность отслеживать пространственное смещение пучка света, ВСМ на основе аномальной капли, не имеет аналогов

пнлика гор

Ч_

wV

'у,/'", , . щт.

CuBr2

Разработчики ßmax р, Па Потребляемая мощность Диаметр канала (мкм) Недостатки

YJ Song1 2001 300 мкл/мин 560 8 -12 Вт 1000 a,bd

C-J Kun2 1998 05 нл/мин 800 58 мВт 34 а~с

DeBar, A Pisano3 2003 93 нл/мин 44 140 мВт/50 мВт создание пузырька/ ТК движение 100 с,е

N Ivanova4 2003 25 мкл/мин 33 < 30 мВт 97 -

а) паровой пузырек, b) высокая потребляемая мощность, с) малая скорость прокачки, d) слабый тепловой отклик, е) сложность управления Y J Song, TS Zhao// J Micromech Microeng, 11, 713-719, 2001 2) M J DeBar, D Liepmann // IEEE, 2002, P 109-111 3) TK Jun, С-J Kim //J Applied Physics 83(11), 5658-5664, 1998 4) N Ivanova, Cho Hye Jung заявка на изобретение J 2003090541, RK - 200309 - 004 - 1, SAIT, Южная Корея, 2003

Рис. 12. а) Зависимость фокусного

расстояния капли от мощности пучка света б) Мира 16 лин./мм. в)

Аберрация сетки с квадратными 200 ячейками.

Таблица 4

Микролинза (материал) Диаметр Fmm Время адаптац Принцип управления F. Недостатки // преимущества

Пористое стекло1 (1997) 2 - 8 мм 150/40 = 3.7 (мм) > 2 мин An линзы ресорбцией адсорбат. Большая управляющая мощность (>2 Вт), инерционность перестройки Р. //

Фоторезист погруженный в ЖК 2 (1997) 100 мкм 560/380=1 5 (мкм) от 1 мин. до 1 с. Art элекгрич. напряжением Инерционность перестройки Б, сложность изготовления. //

ВСМ 3 (йод/ этанол) (1998) 100 мкм п= 1.36 6/0.7 = 86 (мм) <1с. АН КК силами // Широкий Ргалс/Р««; Отслеживание пучка, самоцентрирование.

Tunable liquid microlens4 (2003) (объем 6 мкл) ~1 мм 43/3.8 = 1.1 5мс АН ЭК эффектом Малый ?аах/¥тт. Контакт электрода с телом микролинзы. //

An - изменение показателя преломления, АН - изменение кривизны поверхности. 1) Commander et.al// FOS Topical Digest Meetings Microlens Arrays, 5, 72-76,1995. 2) Клим О., Мешковский И. // Оптика и Спектр. 82(1), 51-54, 1997, 3) Bezuglyi В Shapelenok S, Ivanova N А. // Optics and Spectr., 87(1), pp. 160-162, 1999; 4) Krapenkine Т., etal.ll Appl. Phys. Letters. 82(3), pp 316-318, 2003.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Выяснены механизмы движения пузырьков в ячейке Хеле-Шоу, основанные на действии ТК и КК сил на ПРФ, управляемых тепловым действием света. Разработан подход к измерению скоростей ТК и КК течений на облучаемой ПРФ, основанный на принципе аддитивности ее статической и динамической кривизны. Найдено, что при поглощаемой мощности пучка около 30 мВт, скорость ТК течения для пузырьков размерами находящихся в слоях толщинами 10, 50 и 70 мкм, достигает более 300 мм/с, а скорость КК течения в 3-5 раз превышает ее величину. При этом скорость «центра массы» пузырька не превышает 10 мм/с и пропорциональна отношению о'т/ц.

2) Обнаружено пять устойчивых форм пузырьков при их ТК движении и три устойчивые формы при КК движении. Установлены безразмерные параметры, определяющие форму пузырька: отношение диаметров пузырька и светового пятна и отношение скорости облучаемой ПРФ к скорости «центра массы» пузырька.

3) Проанализировано влияние сил вязкости и сил ПН на форму пузырьков при ТК механизме движения и установлено, что рост капиллярного числа

ведет, помимо уменьшения скорости пузырька, к его деформации.

4) Показана возможность деления пузырька КК вихрями индуцированными пучком света на два дочерних пузырька. Установлено, что деление возможно для размеров пузырьков начиная с Б > 2 при поглощаемой мощности не менее 30 мВт для исследованных жидкостей.

5) Исследована кинетика роста аномальной капли в пузырьках разного размера. Дано качественное объяснение этих зависимостей, состоящее в том, что скорость роста капли в пузырьке зависит от толщины пленки смачивания и близости границы раствора, а также от режима течения формирующего каплю.

6) Предложен и исследован новый подход к разработке методов прокачки жидкости в микроканалах, который основан на использовании ТК механизма движения воздушного пузырька за пучком света. Показаны его существенные преимущества: низкая потребляемая мощность ( < 30 мВт), гибкость процесса прокачки и низкая температура прокачки что позволяет использовать подход в микрофлуидике имеющей дело с биологическими жидкостями.

7) Исследованы оптические и динамические свойства аномальной капли с целью использования ее как адаптивной микролинзы. Продемонстрированы ее уникальные свойства: 10-кратный диапазон перестройки фокусного расстояния, бесконтактное управление не только фокусным расстоянием, но и пространственным положением микролинзы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Безуглый Б.А., Шепеленок С.В, Иванова Н.А. Оптические свойства аномальной капли // Письма в ЖТФ. - 1998. - том 24. - № 24. - С. 61-64.

2. Безуглый Б.А., Шепеленок С.В., Иванова Н.А. Оптические свойства аномальной капли. // Передовые технологии на пороге XXI века: международная конференция. Тезисы. Ч. 2. -Москва, НИЦ "Инженер", 1998 - С. 486-488.

3. Безуглый Б.А., Шепеленок С.В., Иванова Н.А. Жидкая линза в качестве адаптивного оптического элемента//Оптика и Спектроскопия. - 1999. -том 98. — № 1. - С . 173-175.

4. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Тарасов О.А., Шепеленок СВ., Иванова Н.А. Фотоиндуцированная капиллярная конвекция. - Отчет о НИР депонированный в ВИНИТИ, № госрегистрации 01.99.00 04786, инв. № 0299.00 05481, 1999. - 40 с.

5. Безуглый Б.А., Иванова Н.А., Шепеленок С.В. Новый физический эффект -фотоиндуцированная концентрационнокапиллярная конвекция в учебном эксперименте. // 5-ая международная конференция "Физика в системе современного образования" (ФССО-99): Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, РГПУ, 1999. - С. 13-14.

6. Лазерная диагностика жидкостей. Методические указания к лабораторным работам / Б.А. Безуглый, Н.А. Иванова, ОА. Тарасов, А.А. Федорец. - Тюмень: Издательство ТюмГУ, 1999.-50 с.

7. Безуглый Б А., Иванова Н.А. Явления переноса и безразмерные комплексы. // Вестник Тюменского госуниверситета. - 2000. - № 3. - С. 47-60.

8. Безуглый Б.А., Иванова Н.А. Создание движения жидкости и управление им в условиях микрогравитации. // Третий Международный аэрокосмический конгресс (IAC2000): Труды. CD ISBN 5-89354-064-6. - Москва, СИП РИА, 2000 - 4 с.

9. Безуглый Б А., Иванова Н.А., Зуева А.Ю. Термокапиллярная деформация тонкого слоя жидкости вызванная пучком лазера // ПМТФ. - 2001. - том 3. - № 42. - С.130-134.

10. Bezuglyi B.A., Fedorets A.A., Ivanova N.A. Application of the photoinduced capillary phenomena in liquid microgravity technologies // First Conference of the International Marangoni Association. - Giessen, Germany, Sept. 12-16,2001. Abstracts, 80-81 (2001).

11. Bezuglyi B.A., Fedorets A.A., Ivanova N.A., Tarasov O.A. Photoinduced capillary effect in the MOMLS-technologies // First Conference of the International Marangoni Association. -Giessen, Germany, Sept. 12-16,2001. Abstracts, 82-83 (2001).

12. Безуглый Б.А., Иванова Н.А., Федорец А.А. Теоретическое и экспериментальное исследование фотоиндуцированной капиллярной конвекции. - Отчет о НИР депонированный в ВИНИТИ, № госрегистрации 02.200.1 06846, инв. № 01. 2001103608, 2001.-31 с.

13. Безуглый Б.А., Иванова Н.А. Манипуляция газовым пузырьком в ячейке Хеле-Шоу с помощью пучка света. // Письма в ЖТФ. - 2002. - том 28. - № 19. - С 71-75.

14. Ivanova N.A., Bezuglyi B.A. Photoinduced Capillary Motion of Drops and Bubbles. // In Proc. of Sixth Microgravity Fluid Physics and Transport Phenomena Conference. NASA/CP-2002-211212/Vol. 2. Aug. 14-16, 2002, USA, NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, p. 496, 2002.

15. Безуглый Б.А., Иванова Н.А. Управляемое тепловым действием света капиллярное движение пузырьков и капель в ячейке Хеле-Шоу // Труды IX межотраслевого научного и методического семинара "Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника". Выпуск I, Тюмень, ТюмГУ, 2002 - С 34-8.

16. Патент РФ № 2191055. Способ разделения и дозирования компонентов бинарных смесей. Безуглый Б.А., Иванова Н.А., Чаппаров Ф.Х. - Бюл. №29 // Изобретения - 2001.

17. Патент РФ № 2190655. Класс рабочих жидкостей для тепловых трубок. Безуглый Б.А., Иванова Н.А., Тарасов О.А., Федорец А.А. - Бюл. № 28 // Изобретения - 2002.

18. Bezuglyi B.A., Ivanova N.A. Light-induced capillary motion of drops and bubbles // ХП International Conference "Surface forces". Abstracts. - Moscow, Russia, July 2002 - P. 135.

19. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Тарасов О.А., Иванова НА., Зуева А.Ю. Фотоиндуцированная капиллярная конвекция - новое капиллярное явление. - Отчет по гранту РФФИ № 01-01-652-а. // URL: http//library.intra.ru. - 2002.

20. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Тарасов О.А., Иванова Н.А. Фотоиндуцированные капиллярные эффекты: новые области применения // II Российская конференция по космическому материаловедению: Тезисы докладов. Калуга, 3-6 июня 2003. - Изд-во "Манускрипт", Калуга, - с. 45.

21. Безуглый Б А., Федорец А.А., Тарасов О.А, Иванова Н.А. Фотоиндуцированные капиллярные эффекты: новые области, применения. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2004. - № 6. - С. 82-85.

22. Ivanova N. A., Bezuglyi В A. Formation and transportation of droplets in multiphase microsystems driven by local heating // International Marangoni Association Congress 2004. -Brussels, Belgium, July 14-17, 2004. - Universite Libre de Braxelles, Faculty of Applied Sciences, Microgravity Research Center. - Abstracts, p. 40. (2004).

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТEРAТУРЫ

1. Безуглый Б. A. Aвтореферат диссертации на соискание ученой степени к ф.-м.н., Москва, МГУ, 1985.

2. Безуглый БА., Галашин E.A. // Ж. научн. и прикл. фотогр. и кинематогр. - 1982. - том. 27-№. 1.-С.б9-71

3 Безуглый БА., Галашин E.A., Криндач Д П., Майоров В С. // Письма в ЖТФ. - 197б. - том. 2.№. 18.-С. 832-8388.

4. Edmonstone B.D., Matar O.K. // J. Coll. and Interface Science. - 2004- Vol. 274. - 183-199.

5. Безуглый БА., Тарасов ОА., Федорец A.A. // Коллоидный журнал. - 2001.- N б. - С. 735-741.

6. Федорец A. A. Aвтореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Тюмень, ТюмГУ, 2002.

7. Тарасов О. A. Aвтореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Тюмень, ТюмГУ, 2004.

ЛР 04-967 от 24 05 99 ГУЛ ТО «Тюменский издательский дом» г Тюмень,ул Первомайская, 11 Тел (3452) 45-01-16 Подписано в печать 2211 2004 Тираж 100 экз Объем 1,0уч-изд л Формат60x84/16 3аказ3119

Отпечатано в филиале «Тюменская типография» г Тюмень, ул Первомайская, 11 Тел 46-42-78

»2567 Ö

Список принятых сокращений и обозначений ВВЕДЕНИЕ

1. Капиллярные эффекты: исторический экскурс

2. Применение в физико-химических и микрогравитационных технологиях

3. Микрофлуидика

4. Цель работы

ГЛАВА I. ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ: 14 ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Влияние термофизических и химических свойств жидкости на ПН

1.1.1. Зависимость ПН от температуры для чистых жидкостей

1.1.2. Зависимость ПН растворов от концентрации TAB и ПАВ

1.1.3. Уточнение терминологии

1.1.4. Зависимость ПН от разности потенциалов через ПРФ

1.2. Капиллярная статика. Уравнение Юнга - Лапласа.

Явление смачивания.

1.3. Динамика ПРФ. Капиллярное течение жидкости.

1.4. Эффекты Марангони. Виды течения жидкостей в 24 микромасштабе.

1.4.1. Электрокапиллярный эффект

1.4.2. Термокапиллярный эффект

1.4.3. Концентрационнокапиллярный эффект

1.4.4. Конкурирующее действие механизмов вызывающих течение жидкости

1.5. Фотоиндуцированная концентрационнокапиллярная конвекция

1. Капиллярные эффекты: исторический экскурс

Капиллярные эффекты с глубокой древности привлекали к себе внимание необычностью их проявления в виде спонтанного движения жидкости. Некоторые из них служили предметом развлечений (эффект «слезы крепкого вина» [1,2], «танец камфары» [3,4]), другие находили практические применения, основанные лишь на мифических представлениях (эффект успокоения волн с помощью масла [5, 6]).

На протяжении многих веков ученые пытались найти объяснение этим эффектам [7], и только в середине 19 века британский инженер Томсон [2] и итальянский физик Марангони [8] внесли ясность в понимание механизма капиллярного движения жидкости, которое позже стали называть эффектом Марангони [7,8]. Причиной движения жидкой поверхности являются градиенты поверхностного натяжения, возникающие вдоль поверхности раздела жидкость/газ за счет локального изменения температуры или состава жидкости [7]:

2. Применение в физико-химических и микрогравитационных технологиях

Интерес к капиллярным эффектам не угас с удовлетворением научного любопытства, а результаты их исследования способствовали решению ряда технологических проблем в точной механике и часовой промышленности [9], в стекловарении [10], электрохимической промышленности [11], в очистке и сушке кремниевых пластин для микроэлектроники [12, 13] и лазерном текстурировании подложек магнитных дисков [14].

На борту космических лабораторий, где поверхностные силы преобладают над гравитационными, капиллярные явления привлекают внимание с точки зрения возможности управления многими жидкостными процессами: выращиванием монокристаллов [15], производством тяжелых стекол [16], седиментацией [17] и разделением веществ [18].

Микрофлуидика

За последнее десятилетие исследования в области капиллярных явлений стали одной из стратегических задач международного научного сообщества [19. 20]. Столь небывалый всплеск интереса ученых и инженеров к поверхностным явлениям мотивирован тенденцией к миниатюризации химических и биотехнологических процессов с последующей их интеграцией в комплексные микрофлуидные устройства лаборатории на чипе (lab—on —a chip) [21,22], названные так по аналогии с интегральными микроэлектронными схемами.

Учитывая, что основная функция микрофлуидного устройства состоит в транспортировке микроколичеств жидкости в виде капель и пузырь кон через сложную сеть микроканалов Рис. i а, с характерными поперечными размерами 10100 мкм [23]. а также вдоль гидрофильных дорожек на планарных чипах [24], Рис. \б. проблема разработки способов управления этими объектами в таких пространственных масштабах является весьма актуальной.

Подход, основанный на использовании микроэлектромеханических насосов [2528], имеет ряд недостатков: сложность их изготовления; разрушение содержащимися

1 6

Рис. I. Микрофлуидные устройства: а} микроканальный чип компании Caliper Technologies Inc. н б) планарный чип компании Acivalytix AG. в жидкости микрочастицами пыли; неспособность управления дискретными объемами жидкости; большое потребление энергии для создания градиентов давления достаточных, чтобы преодолеть адгезию жидкости на стенках микроканалов [24, 29].

Именно силы поверхностного натяжения (ПН), возрастающие с уменьшением размеров каналов [24, 30], Рис. 2, создают проблемы для работы микрофлуидных устройств [24, 30 -32]. Проанализируем соотношение сил ПН Fa, вязкого трения F^, гравитации Fg и инерции Fu в микромасштабе. Основными критериями определяющими их соотношение являются безразмерные числа11' Бонда, Bo = Fg/F0; капиллярное, Са = Fn/F„ и Вебера, We = FJFa. Так, например, для капли воды (плостностьр = 10J кг/м3, динамическая вязкость р = 10~3 кг/м-с) движущейся со скоростью и = 1 см/с внутри микроканала диаметром /)А=100мкм обратные значения этих чисел следующие, {Во)~] = a! pgD%~ 103, (Са)~1 = а! \хи ~ 104 и (We)~l = а/р Dhu2 ~ 104. Столь высокие значения свидетельствуют о том, что в микромасштабе силы ПН преобладают над всеми остальными силами. С этой точки зрения весьма перспективной является идея использования сил ПН для управления движением капель и пузырьков, а также течениями в микромасштабе [31, 32].

Таким образом, введенная в начале 90-х прошого века [21] концепция микролабораторий, породила новую междисциплинарную область исследований -микрофлуидику [33, 34.], объединяющую динамику поверхности раздела фаз (ПРФ), физическую химию, явления тепло- и массопереноса, с целью изучения капиллярных явлений и разработки методов активного управления силами ПН.

Сейчас область решаемых микрофлуидикой задач весьма обширна: аналитическая и комбинаторная химии [35 - 37], системы клинической диагностики [38 -41] и ДНК анализа [42 - 43], микроэлектроника и оптоэлектроника [44 - 49], технология

10 Классификация безразмерных чисел в физике жидкостей предложенная автором, представлена в

Табл.], Приложения. 1 /

1 / 1 ^

Объемные / ■ СИЛЫ / j -----Силы ПН I 1

10~6 1СГ5 10 4 КГ3 10 2 10"' 10° 10' L (м)

Рис. 2. Масштабное сравнение адгезии и объемных сил [36] в безразмерных единицах. струйной печати [50 - 51], миниатюрные теплообменники [52] и другие портативные устройства [53, 54].

Однако, несмотря на столь значительный прогресс, задача поиска эффективных методов создания движения микроколичеств жидкости и управления им остается ключевой в микрофлуидике [31, 32, 34, 55].

4. Цель работы

В настоящей диссертационной работе изучена возможность применения нового капиллярного явления - фотоиндуцированной концентрационнокапиллярной (ФКК) конвекции, открытой Б.А. Безуглым [56] в 1975 г. для генерации движения пузырьков и капель и манипуляции ими (деформация, разделение и т.д) в ячейке Хеле-Шоу.

В основе явления лежит механизм капиллярной конвекции, индуцированной и

• управляемой тепловым действием пучка света путем контроля процессов тепло- и массопереноса через ПРФ жидкость/газ.

С помощью ФКК был решен ряд задач в разных областях науки и технологии: создан совершенный метод построения жидкослойных изображений, названный термотензографией [56-59], способ бесконтактного разделения микроколичеств бинарных смесей на компоненты [60,62], а также предложен ряд идей в новых областях применений, в частности в микрогравитационных технологиях [63,64].

В данной работе явление ФКК исследуется с точки зрения использования его как способа для решения проблем микрофлуидики.

Выбор объектов исследования связан с их ключевой ролью в микрожидкостной технологии. Так, пузырьки используют в качестве: поршней для прокачки жидкости через микроканалы (пузырьковые микронасосы) [65]; микромиксеров для смешивая био- и химических реагентов [66]; переключателей оптических сигналов в BOJIC [48,49] и т.п.

Капли нашли применение в биотехнологии как коллекторы и транспортные средства для биоклеток и микрочастиц, а также как микрореакторы [67-69]. С другой стороны капли отлично выполняют роль адаптивных микролинз [46,47,70,71] для микрооптики и оптоэлектроники и т.д.

Излагаемый в работе материал состоит из 4 глав, заключения, приложения и списка литературы.

В 1-й главе обобщены литературные данные о феноменологических представлениях о ПН и его зависимости от физико-химических свойств жидкостей. Приведено терминологическое уточнение обозначения используемых в работе веществ. Дано феноменологическое описание явления ФТК. Выполнен критический обзор литературы о современных методах создания движения капиллярных объектов и управления ими в микрофлуидике. На основе представленного обзора предложена классификация типов течения жидкости, позволяющая не только четко определить сложившиеся к настоящему времени направления в микрофлуидике, но и имеющая, методическое значение поскольку указывает оптимальный способ для решения практических задач.

Во 2-й главе изложена методика эксперимента и приведены результаты исследования ТК механизма движения пузырьков за пучком света. Исследованы ТК вихри в жидкости у облучаемой ПРФ пузырька и показана связь частоты и глубины вихря от положения пучка света до ПРФ. Разработан подход к оценке скоростей ТК течений на облучаемой ПРФ, основанный на принципе аддитивности статической и динамической кривизна ПРФ. Предложена классификация форм пузырьков при их движении за пучком света. Проанализировано влияние сил вязкости, Марангони, инерции и поверхностного натяжения на форму пузырьков.

В 3-й главе представлены результаты исследования КК механизма движения пузырьков за пучком света. Измерены скорости КК течений на поверхности пузырька. Исследованы формы пузырьков при их движении перед пучком света. Сделана оценка критической концентрации TAB. Проанализировано влияние сил инерции на форму пузырьков. Описан механизм деления пузырька пучком света. Изучена кинетика роста аномальной капли в газовых пузырьках разного диаметра и показано существование трех режимов течений формирующих каплю. Дано качественное объяснение возникновения режимов течения и механизма роста капли в пузырьке.

В 4-й главе изложены результаты исследования возможности практического применения манипулируемых тепловым действием пучка света пузырьков и капель в микрофлуидных устройствах и в адаптивной оптике и подчеркнуты их исключительные преимущества.

В заключении приведены основные результаты экспериментального исследования управляемого тепловым действием света движения пузырьков и капель.

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментального исследования ТК и КК механизмов движения пузырьков управляемых тепловым действием пучка света в ячейке Хеле-Шоу.

2) Подход к определению ТК и КК скоростей на поверхности пузырька, основанный на принципе аддитивности статической и динамической кривизны поверхности раздела фаз.

3) Практические применения пузырьков и капель управляемых ТК и КК силами, вызванными тепловым действием пучка света.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований обсуждались на научных семинарах лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии» Тюменского госуниверситета и лаборатории MEMS Samsung Advanced Institute of Technologies (Южная Корея, 2002-2003); доложены на Международной конференции «Передовые технологии на пороге XXI века», Москва, октябрь 1998; Третьем Международном Аэрокосмическом конгрессе, Москва, август 2000; First Conference of The International Marangoni Association. Giessen, Germany, September 2001; XII Международной конференции «Поверхностные силы», Звенигород, июнь-июль 2002; International Marangoni Association Congress, Brussels, Belgium, July 2004.

Основные результаты и выводы

1. Предложен и исследован новый подход к разработке пузырьковых способов прокачки жидкости в микроканалах. Подход основан на использовании ТК механизма движения воздушного пузырька в микроканале за пучком света. Разработана и протестирована демонстративная модель пузырькового микронасоса управляемого светоиндуцированным ТК эффектом. Выполнен сравнительный анализ рабочих характеристик предложенного пузырькового микронасоса и других пузырьковых насосов, и отмечены его существенные преимущества: низкая потребляемая мощность (<30 мВт), гибкость процесса прокачки, низкая температура прокачки ( AT « 10 К).

2. Исследованы оптические и динамические свойства (размер, фокусное расстояние, время отслеживания управляющего пучка, перестройка формы при изменении мощности пучка, разрешающая способность и аберрации) аномальной капли с целью использования ее в качестве ВСМ. На основе сравнительного анализа характеристик ВСМ и других адаптивных микролинз, показаны ее исключительные преимущества: широкий диапазон перестройки фокусного расстояния fmax/fm/„.s 10, бесконтактное управление не только фокусным расстоянием, но и пространственным положением ВСМ, что недоступно для существующих на сегодня адаптивных микролинз. Предложены возможные схемы адаптивного оптического устройства на основе ВСМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Выяснены механизмы движения пузырьков в ячейке Хеле-Шоу, основанные на действие ТК и КК.сил на ПРФ, управляемых тепловым действием света. Разработан подход к измерению скоростей ТК и КК течений на облучаемой ПРФ, основанный на принципе аддитивности ее статической и динамической кривизны. Найдено, что при поглощаемой мощности пучка около 30 мВт, скорость ТК течения для пузырьков размерами 1 <D* <2.5, находящихся в слоях толщинами 10, 50 и 70 мкм, достигает более 300 мм/с, а скорость КК течения в 3-5 раз превышает ее величину. При этом скорость «центра массы» пузырька не превышает 10 мм/с и пропорциональна отношению erf р.

2) Обнаружено пять устойчивых форм пузырьков при их ТК движении и 3 устойчивые формы при КК движении. Установлены безразмерные параметры, определяющие форму пузырька: отношение диаметра пузырька и светового пятна и отношение скорости облучаемой ПРФ к скорости «центра массы» пузырька.

3) Проанализировано влияние сил вязкости и сил ПН на форму пузырьков при ТК механизме движения и установлено, что рост капиллярного числа Са = /и us а ведет, помимо уменьшения скорости пузырька, к его деформации.

4) Показана возможность деления пузырька КК вихрями индуцированными пучком-света на- два-дочерних пузырька. Установлено, что-деление возможно-для размеров пузырьков начиная с D* > 2 при поглощаемой мощности не менее 30 мВт для исследованных жидкостей.

5) Исследована кинетика роста аномальной капли в пузырьках разного размера. Дано качественное объяснение этих зависимостей состоящее в том, что скорость роста капли в пузырьке зависит от толщины пленки смачивания и близости границы раствора, а также от режима течения формирующего каплю.

6) Предложен и исследован новый подход к разработке методов прокачки жидкости в микроканалах, который основан на использовании ТК механизма движения воздушного пузырька за пучком света. Показаны его существенные преимущества: низкая потребляемая мощность (< 30 мВт), гибкость процесса прокачки и низкая температура прокачки AT = 10 К, что позволяет использовать подход в микрофлуидике имеющей дело с биологическими жидкостями.

7) Исследованы оптические и динамические свойства аномальной капли с целью использования ее как адаптивной микролинзы. Продемонстрированы ее уникальные свойства: 10-кратный диапазон перестройки фокусного расстояния, бесконтактное управление не только фокусным расстоянием, но и пространственным положением микролинзы.

В заключение выражаю благодарность моему научному руководителю БЕЗУГЛОМУ Борису Антоновичу, предложившему интересную тему исследований.

За интерес к изучаемому явлению, полезные дискуссии, техническую поддержку при проведении исследований, а также за помощь в редактировании текста работы благодарю ТАРАСОВА Олега Александровича.

Считаю приятным долгом поблагодарить ЧАППАРОВА Фарида Хамзаевича за помощь в создании экспериментальной установки.

1. Loewenthal М. Tears of strong wine. // Phil. Mag. -1931. Ser.7, Vol 12. - P. 462.

2. Thompson J. On certain curious motions observable at the surfaces of wine and other alcoholic liquors. // J. PhiL Mag.-1855. Ser.4, Vol 10. - P. 330.

3. Tomlison C. Motions of camphor on water. // PhiL Mag. -1870. Ser. 4, Vol. 39. - P. 17.

4. Marcelin A. Les solution superficielles. Fluides a deux dimensions // Ann de Phys. — 1925. — Ser. 10, Vol 4. -P. 459.

5. Plutarch A. D 95 Moralia: Quaestiones Naturales. Section 12.

6. Hurst W. Bede, the Venerable A. D. 731 Ecclesiastical History. Book (iii), Chapter 15, TransL 1814.

7. Scriven L.E., C.V. Sternling. The Marangoni effects. // Nature. 1960. - Vol. 187. - P. 186188.

8. Marangoni C. Sul principio della viscosita superficiale dei liquidi stabilitato dal sig. J. Plateau // Nuovo Cimento Ser. 2. 1872. - Vol. 5/6. - P. 293.

9. Adamson A.W. Physical chemistry of surfaces. N.Y. 1960.2nd ed. N.Y. 1967.

10. Hrma P. Effects of surface forces in glass technology (a review). // Glass Techno1. 1982. -Vol. 23.-N. 3.-P. 151-155.

11. Ludviksson V., E.N. Lightfoot. The dynamics of thin liquid films in the presence of surface-tension gradients // AlCbEJ. -1971. Vol 17 - N. 5. - P. 1166-1173.

12. Мала J., Huethorst J.A.M. Physical principles of Marangoni drying. // Langmuir. — 1991. — Vol 7. N. 11. - P. 2748-2755.

13. O'Brien S.B; On Marangoni drying: non-linear kineniatiral waves in a thin film. // J. Fluid Mech. -1993. Vol 254. - P. 649-670.

14. Chen S.C., Cahilland D.G., C.P. Grigoropoulos. Melting and surface deformation in pulsed laser surface micromodification of NiP disks. // Journal of Heat Transfer. — 2000. — VoL 122. — P. 107-112.

15. Chu N. Experiments on steady and oscillatory temperature distribution in a floating zone due to the Marangoni convection. // Acta Astronautica. -1980. VoL 7. - P. 479-488.

16. Mattox D.M., Smith H.D., Wilcox W.R., Subramanian R.S. Thermal-Gradient-Induced Migration of Bubbles in Molten Glass. // J. Amer. Ceramic Soc. -1982. Vol. 65. - P.437.

17. Ivory C.F. The prospects for large-scale electrophoresis. // Separation Science and Technology. 1988.- Vol 23. - P. 875-912.

18. Koster J.N., Sani R.L. Low-Gravity Fluid Dynamics and Transport Phenomena. // Progress in astronautics and aeronautics (AIAA). — 1990. — Vol 130. P.750.

19. System Planning Corporation, MEMS 1999-Emerging Applications and Market, 1999.

20. MST- News, Microfluidic Systems New Products, No 17, October 1996.

21. Manz Al, Graber N., Widmer H.M. Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing. // Sensor and Actuators. 1990. - Bl. - P.244-248.

22. Auroux P., Iossifidis D., Reyers D.R., Manz A. Micro Total Analysis Systems. 2. Analytical Standard Operations and Applications // Anal. Chem. 2002. - Vol. 74. - P.2623-2636.

23. Harrison J., Fluri K-, Seiler K-, Fan Z., Effenhauser C., Manz A. Micromachining a miniaturized capillary electrophoreses-based chemical analysis system on a chip. // Science. — 1993. -Vol. 261. P. 895-897.

24. Rathgeber A., Strobl C., H.-J. Kutschera, A. Wixforth. Planar microfluidics — liquid handling without walls. // URL: www.aixiv.org/pdg/physics/0104079.

25. Zengerle A.A., Richter A., Sandmaier H. A Micro Membrane Pump with Electrostatic Actuation. // Proc. IEEE MEMS, Travemunde, Germany, p. 19,1992.

26. Smits J.G. Piezoelectric Micropump with Three Valves Working Peristahically. // Sensors and Actuators. 1990. - VoL 203.-P.A21-A23.

27. Kim C.J. Micropumping by electrowetting. // Proc. 2001 ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, New-York, Nov. 11-16,2001, P. 2. (pp. 1-8).

28. Karniadakis G.M., Beskok A. Microflows. Fundamentals and simulation. Springer-Verlag, 2001, p. 340

29. Kim C.-J. Micromachines Driven by Surface Tension. // AIAA 99-3800, 30th AIAA Fluid Dynamics Conference, Norfolk, VA, June-July, 1999, pp. 1-6.

30. Kim C.-J. MEMS Devices Based on the Use of Surface Tension // Proc. Int. Semiconductor Device Research Symposium (ISDRS'99), Charlottesville, VA, Dec., 1999 (URL: http://cjmems. seas. ucla. edu/Publication/publ999.htm).

31. Poison N. A., Hayes M. A. Microfluidics controlling fluids in small places. // Analytical Chemistry. -2001. Vol 73. - P. 321A- 319A.

32. Whitesides G.M., Stroock AD. Flexible methods for microfluidics. // Physics Today. -2001. -Vol 54. N. 6. - P. 42-48.

33. Greenwood P.A., Greenway G.M. Sample manipulation in micro total analytical systems. // Trends in Analytical Chemistry. 2002. - Vol 21. - N 11. - P. 726-740

34. Braxtone S., Bedilion T. The integration of microarray information in the drug development process. // Current Opinion and Biotechnology. 1998. - N. 9. - P. 647-649.

35. Schullek J., Butler J:, Ni Z. et. aL A high-density screening format for encoded combinatorial libraries: Assay miniaturization and its application to enzymatic reactions. // Analytical Biochemistry. -1997. Vol 246. - N. 1. - P.20-29.

36. Chong H. Ahn. Disposable smart Lab-on-a-Chip for clinical diagnostics using microfluidics and BioMEMS technologies. // Proc. In 1st Korea-USA Joint Symposium MEMS & Biosystems Tech. Jan.24.2003, Daejoen, South Korea, pp.151-171,2003.

37. Cunningham D.D. Fluidics and sample handling in clinical chemical analysis. // Analytica Chimica Acta. 2001. - N. 429. - P. 1 -18.

38. Schulte Т.Н., Bardell R.L., Weigl B.H. Microfluidics technologies in clinical diagnostics. // Clinica Chimica Acta. 2002. - N .321. - P. 1-10.

39. Kricka L., Wilding P. Micromachining: a new direction for clinical analyzer.// Pure & Applied Chemistry. 1996. -N. 68. -P.1831-1836.

40. Buchholz B.A. et aL MicroChannel DNA sequencing matrices with a thermally controlled "viscosity switch". //Analytical Chemistry.-2001.-N. 73.- P. 157-164.

41. Fan Z.H. et aL Dynamic DNA hybridization on a chip using paramagnetic beads Jl Analytical Chemistry. -1999. N.71. - P. 4851-4859.

42. Kim J., Shen W., Latorre L., Kim C.J. A micromechanical switch with electrostatically driven liquid-metal droplet. // Proc. Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators, June 2001, Munich, Germany, pp.748-451,2001:

43. Lee S.-S., Huang L.-S., Kim C.-J., and Wu M. C. 2x2 MEMS Fiber Optic Switches with Silicon Sub-mount for Low-Cost Packaging. // Tech. Dig., Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, June 1998, pp. 281-284.

44. Bezuglyi B.A., Shapelenok S.V., Ivanova N. A. Optical Properties of an Anomalous Drop.// Tech. Phys. Letters. -1998. VoL 24. - N. 24: - P. 61-64.

45. Bezuglyi B.A., Shapelenok S.V., Ivanova N.A. Liquid Lens as an Adaptive Optical Element. // Optics and Spectroscopy. -1999. VoL 87. - N 1. - P. 160-162.

46. Makihara M., Sato M., Shimokawa F., Nishida Y. Micromechanical Optical Switches Based on Thermocapillary Integrated in Waveguide Substrate. // J. Lightwave Tech. 1999. — VoL 17 .—P.14-18.

47. Sato M., Horie M., Kitano N. et.aL Thermocapillary optical switch. // Hitachi Cable Review. -2001.-N. 20.-P. 19-24.

48. Chen P.H., Chen W.C., Chang S.H. Bubble growth and ink ejection process of a thermal ink jet printhead. // Int. J. Mech. ScL 1997. - Vol 39. - N. 6. - P.683-685.

49. Tseng F., Kim C.-J. A Microinjector Free of Satellite Drops and Characterization of the Ejected Droplets. // ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, Anaheim, С A. Nov. 1998. pp. 89-95, 1998.

50. Zhao S.Y., Lu TJ. Analysis of microchannel heat sinks for electronics cooling. // Int. J. Heat and Mass Transfer. -2002. Vol 45. - P. 4857-4869.

51. Peled N. Design and implementation of a microchemistry analyzer. // Pure & Applied Chemistry. 1996. - N. 68. - P. 1837-1841.

52. Lauks I. MicTofabricated biosensor and microanalytical system for blood analysis. // Account Chemical Research. N .31, pp.317-324,1998.

53. Liepmann D. MEMS-based fluid delivery and control systems for biomedical applications. // Proc. In 1st Korea-USA Joint Symposium MEMS and Biosystems Technology. Jan. 24. 2003 Daejoen, South Korea, pp.111-135,2003.

54. Безуглый Б. А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применения в способах регистрации информации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Москва, МГУ, 1986.

55. Безуглый Б.А., Майоров B.C. Роль поверхностных сил при формировании изображения на тонких жидких пленках. // Ж. научн. и прикл. фотогр. и кинематогр. — 1981.-том. 26.-вып. 6.-С. 422-427

56. Безуглый Б.А, Галашин Е.А. Термотензография — новый способ получения изображений. // Ж. научн. и прикл. фотогр. и кинематогр. — 1982. — том. 27. вып. 1. — С. 69-71.

57. Безуглый; Б.А., Криндач Д.П., Майоров B.C. Получение изображения в жидких пленках с использованием явления термокапиллярной конвекции. // ЖТФ. — 1982. — том. 52. вып. 12. - С. 2416-2418.

58. Криндач Д.П., Майоров B.C. Сухоруков А.П. Разделение жидких смесей в тонких слоях тепловым действием лазерного излучения. И ЖТФ. — 1978. — том. 48. — вып. 18. — С. 2553-2557.

59. Ф 64. Bezuglyi B.A. Photoinduced solutocapillary convection: Proc. Int. Aerospace Congress

60. C'94) Aug. 15-19,1994, Moscow, STC Tetrovka', pp.261-7 © 1995

61. DeBar M.J., Liepmenn D. Fabrication and performance testing of steady thermocapillary pump with no moving parts. // IEEE. 2002. - P.l09 -111.

62. Deshmukh AlA, Liepmann D., Pisano A.P. Continuous Micromixer with Pulsatile Micropumps, 2000 Solid-State Sensor & Actuator Workshop, Hilton Head, S.C., June 4-8,2000.

63. He M., Sun Ch., Chiu D. Concentrating solutes and nanoparticles within individual aqueous droplets. // Anal. Chem. 2004. - N 76. - P.1222-1227.

64. Jensen A., Lee A. Droplets in Microfluidics devices // Lab on Chip. 2004. - N4. - P.31-32

65. Torkelli A. Droplet microfluidics on a planar surfaces. PhD thesis, 2003

66. Krupenkine Т., Yang S., Mach P. Tunable liquid microlens.//Appl.Phys. Letters. 2003. — Vol. 82.-N. 3.-P. 316-318.

67. US Patent 6,545,816 Bl, Apr. 8, 2003. Photo-tunable liquid microlens. T. N. Kroupenkine, Shu Yang.- Lucent Technologies Inc. NJ, (US)

68. Джейкок M., Прафит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984.

69. Castellan G.W. Physical Chemistry. 3rd Edit. Addison-Wesley Pub.1983, p. 980.

70. Reid R.C., Prausnitz J.M., Poling B.E. The properties of Gases and Liquids. 4th Edit. McGraw-Hill Book Company. 1988, p. 742

71. Berg J. Interfacial hydrodynamics: an overview. // Canadian Metallurgical Quart. — 1982. — • ' VoL 21.- N. 2. — P. 121-136.

72. Hirschfelder J.O., Curtiss C.F., Bird R.B. Molecular Theory of Gases and Liquids. John Wiley & Sons, New York, NY, P. 336-356,271, 870-888,1964.

73. Myers D. Surfaces, Interfaces, and Colloids: Principles and Applications. — 2nd Ed. John Wiley & Sons, Inc. 1999. P.200.

74. Kaviany M. Principles of convective heat transfer. Springer-Verlag, p.709, 1998.

75. Jasper J.J. The surface tension of pure liquids compounds. // J. Phys. Chem. Ref. Data-1972.- VoL 1.- P. 841.•> 80. Escobedo J., Mansoori J.A. Surface tension predictions for liquid mixtures. // AIChE Journal.- 1998. Vol.44. - N. 10. - P.2324-2332.

76. Поверхностные явления и поверхностноакгивные вещества: Справочник/Абрамзон А., Боброва JI. Е., Зайченко JL П., и др.; под ред., Абрамзона А. А. Щукина Е. Д. JL: Химия, 1984

77. Русанов А.И. Мицеллообразование в расгаорах поверхностно-активных веществ. — СПб: Химия, 1992

78. Normand Ch., Pomeau Y., Velarde M.G. Convective instability: a physisist's approach. // Rev. Mod. Phys. 1977. - Vol. 49. -N. 3. - P. 581-624.

79. Tavares M.F., McGuffin V.L. Theoretical Model of Electroosmotic Flow for Capillary Zone Electrophoresis. // Anal Chem. 1995. - Vol. 67. - P. 3687-3696.

80. Brochard F. Motions of droplets on solid surfaces induced by chemical or thermal gradients. // Langmuir. -1989. -Vol 5. N. 2. -P. 432-438.

81. Levich V.G., Krylov V.S. Surface-tension driven phenomena. // Ann; Rev. Fluid Mech. — 1969.-Vol 1.-P. 293-316.

82. Faghri A. Heat pipe science and technology.- Tylor & Franscis. 1995, P. 874.

83. Giordano N, Cheng J.-T. Microfluid mechanics: progress and opportunities. // J. Phys.: Condens.Matter.-2001.-Vol. 13. R271-R295.

84. Ivanov I. В., Jain R: K. Formation and thinning of liquid films. // In Lecture Notes in Physics No. 105: Dynamics and Instability of fluid Interfaces (T. S. Sorensen, Ed.), pp. 120-139, Springer-Verlag 1979.

85. Jain R. K., Ivanov I. V., Maldarelli C., Ruckenstein E. Instability and rupture of thin liquid films. // In Lecture Notes in Physics No. 105: Dynamics and Instability of fluid Interfaces (T. S. Sorensen, Ed.), pp 140-167, Springer-Verlag 1979.

86. Beni G., Hackwood S., Jackel J.L. Continuous electrowetting effect. // Appl. Phys. Lett. — 1982.- Vol. 40. -N. 10. -P. 912 914.

87. Simon J., Saffer S., Kim C.-J. A liquid-filled micro relay with a moving mercury mcro-drop. // J. Micro Electro Mechanical Systems. 1997. - Vol. 6. - N. 3. - P. 208-216.

88. Lee J., Kim C.-J. Liquid micromotor driven by continuous electrowetting. // Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Heidelberg, Germany, Jan. 1998, pp. 538-543.

89. Yun K.-S., Cho I.-J., Bu J.-U., Kim G.-H., Jeon Y.-S., Kim C.-J., Yoon E. A micropump driven by continuous electrowetting actuation for low voltage and low power operations. // Proc.

90. EE Conf. Micro Electro Mechanical Systems, Interlaken, Switzerland, Jan. 2001, P. 487-490. 2001.

91. Lee J., Kim C.-J. Microactuation by electrically- controlled surface tension. // J. Microelectromechanical Systems. 2000. - VoL 9. - N. 2. - P. 171-180.

92. Lee J., Moon H., Fowler J., Kim C.-J., Schoellhammer T. Addressable micro liquid handling by electrical control of surface tension. // IEEE Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '01), Interlaken, Switzerland, Jan. 2001, P. 499-502.

93. Lee J., Moon H., Fowler J., Schoellhammer Т., Kim C.-J. Electro wetting and electrowetting-on-dielectric for microscale liquid handling. // Sensors and Actuators. — 2002. — VoL A95.-P. 259-268.

94. Lee J., Kim C.-J. Surface tension driven microactuation based on continuous electro wetting (CEW). // J. Microelectromechanical systems. 2000. - Vol. 9. - N. 2. - P. 171 - 180.

95. Cho S.K., Fan S.K., Moon Hyejin, Kim C-J. Towards digital microfluidic circuits: creating, ^ transporting, cutting, and merging liquid droplets by electro wetting-based actuation. // Technical

96. Digest. MEMS 2002. 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, P. 32-35,2002.

97. US Patent N. 6369954, Bl. 2002. Lens with variable focus. B. Berge, J. Peseux.

98. Hershey A.V. Ridges in a liquid surface due to the temperature dependence of surface tension. // Phys. Rev. -1939. VoL 56. - P. 204.

99. Федосов А.И. Термокапиллярное движение. // ЖФХ. —1956. — том 30. — вып. 2. — С. 366-373.

100. Young N. О., Goldstein J.S., Block M.J. The motion of bubbles in a vertical temperature gradient. // J. Fluid Mech. -1959. VoL 6. - N. 3. - P. 350 - 356.

101. Bond W.N., Newton D.A. Bubbles, drops and Stokes' low. // Phil. Mag. Ser.7. VoL 5.1. N. 30.-P. 794 -800.

102. Subramaniam R.S., Balasubramaniam R. The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity. Cambridge, University Press. 2001. P. 471.

103. Hasan M.M., Balasubamaniam R. Thermocapillary migration of a large gas slug in a tube. // J. Thermophys. Heat Trans. -1989. VoL 3. - P.87.

104. Wong H., Radke C.J., Morris S. The motion of long bubbles in polygonal capillaries. Part 1. Thin film. // J. Fluid Mech. -1995. VoL 292. - P. 71-94.

105. Ф, 119. Mazouchi A., Homsy G.M. Thermocapillary migration of long bubbles in cylindricalcapillary tubes. // Phys. of Fluids. 2000. - VoL 12. - P. 542-550.

106. Mazouchi Ali, Homsy G. M. Thermocapillary migration of long bubbles in polygonal tubes. I. Theory.//Phys. Fluids. 2001. - VoL 13. - N. 6.-P. 1594-1600.

107. Lajeunesse E., Homsy G. M. Thermocapillary migration of long bubbles in polygonal tubes. II; Experiments. // Phys. Fluids. 2003. - Vol. 5. - N. 2. - P. 308-314.

108. Jun Т.К., Kim C.-J. Valveless pumping using traversing vapor bubbles in microchannels. // J. Applied Physics. 1998. - Vol. 83. - N. 11. - P. 5658-5664:

109. Song Y. J., Zhao T.S. Modeling and test of thermally — driven phase change non-mechanical pump. // J. Micromech. Microeng. 2001. - Vol. 11. - P. 713-719.

110. Wilson S.K. The steady thermocapillary-driven motion of a large droplet in a closed tube. // Phys. Fluids A. -1993. Vol. 5. - N. 8. - P. 2064-2066.

111. Sammarco T.S., Bums M.A. Thermocapillary pumping of discrete drops in micro fabricated analysis devices. // AlChE Journal -1999. Vol 45. - N. 2. - P. 355-362.

112. Sammarco T.S., Burns M.A. Heat-Transfer Analysis of Microfabricated Thermocapillary Pumping and Reaction Devices. // J. Micromec. Microeng. 2000. - Vol. 10. - P. 42-55.

113. Streeter V.L., Wylie E.B; Huid mechanics. McGraw-Hill Book Company. 1987, P. 562.

114. Ozkan M., Pisanic Т., Scheel J., Barlow C., Esener S., Bhatia S.N. Electro-optical platform for the manipulation of live cells. // Langmuir. 2003. - VoL 19. - P. 1532 - 1538.

115. Delamarche E., Bernard A., Schmid H., B. Michel, H. Biebuyck. Patterned delivery of immunoglobulins to surfaces using microfluidic networks. // Science. 1997. - Vol 276.-P. 779 -781.

116. Schewe P. F., Ben Stein. Physics News Update. Number 458, November 18, 1999. // The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, URL. http://www. aip. org.

117. S. M. Troian and D.E. Kataoka. Patterning flow at the micro scale. // American Physical Society, Division of Fluid Dynamics, in session Flows in Microchannels. Nov. 21 23, 1999, New Orleans, LA (paper BG-08, Nov. 21,1999).

118. Bouasse H. Capillarite et Phenomenes superficiels; Delagrave Paris, 1924

119. Brzoska J.B., Brochard-Wyart F., Rondelez F. Motions of droplets on hydrophobic model surfaces induced by thermal gradients. // Langmuir. —1993. — VoL 9. — P. 2220-2224.

120. Ford M.L., Nadim A. Thermocapillary migration of an attached drop on a solid surface. // Phys. Fluids. 1994. - VoL 6. -N. 9. -P. 3183-3185.

121. Ehrchard E., Davis S.H. Non-isothermal spreading of liquid drops on horizontal plates. // J. Pluid Mech. 1991. - VoL 229. - P. 365.

122. Жаров В.П., Легохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. — М.: Наука, 1984.-С. 19.

123. Da Costa G., Calatroni J. Transient deformation of liquid surfaces by laser-induced thermocapillarity. // AppL Opt. -1979.-Vol. 18. -N. 2.- P. 233-235.

124. Da Costa G., Real-time recording of light patterns in heavy hydrocarbons: a theoretical analysis. //OppL Optics 1980.-Vol. 19.-N. 20. - P. 3523-3528.

125. Da Costa G. Thermocapillary self-focusing of a laser beam: a theoretical analysis. // Phys. Lett 1980. - Vol. 80A. - N. 4. - P. 323-324;w 139. Pimputkar S.M., Ostrach S. Transient thermocapillary flow in thin liquid layers. // Phys.

126. Fluids. 1980. - Vol 23. - N. 7. - P. 1281-1285.

127. Гладуш Г.Г., Красицкая Л.С., Левченко Е.Б., Черняков A.JI. Термокапиллярная конвекция в жидкости под действием мощного лазерного излучения. // КЭ. — 1982. — том. 9. вып. 4. - С. 660-667.

128. Безуглый Б.А., Иванова Н.А., Тарасов О.А, Федорец А.А. Лазерная диагностика жидкостей. Из-во ТюмГУ, Тюмень — 1999, С. 50.

129. Патент РФ № 2169049. Способ очистки твердой поверхности от жидких загрязнений в виде пленки смачивания или капель. Безуглый Б.А;, Федорец А.А. — Бюл. № 17 //1. Изобретения. — 2001.

130. Иванов Е.В., Коровин ВЛ., Седунов Ю.С. Движение оптически плотных капель жидкости в поле лазерного излучения. // КЭ. -1977. том 4. - вып. 9. - С. 1873.

131. Oliver D.L.R., De Witt К. J. Surface tension driven flows for a droplet in micro gravity environment. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1988. - Vol 31.- N. 7. - P. 1534-1537.

132. Редников A.E., Рязанцев Ю.С. О термокапиллярном движении капли под действием излучения. // ПМТФ. -1989. N. 2.- С. 179-183.

133. Яровая Р.Г., Макаровский Н.А., Лупаппсо Н.А. Влияние лазерного излучения на движение газовых пузырьков в поглощающей жидкости. // ЖТФ. 1988. — том. 58. — вып. 7. С. 1375-1380.

134. Bezuglyi В.A. Photomicrofluidics: history, advances and perspectives. // First Conference of the International Marangoni Association. Abstract, Sept 12-16, 2001, Giessen, Germany, pp. 80-81,2001.

135. Scogen N. Increase of surface tension of certain solutions when brought into contact with hot gases. И Am. J. Phys. -1958J VoL 26. - P. 25-27.

136. Флиев И.Н. К вопросу о сверхбыстром распространении загрязнений по поверхности жидкостей. //ПисьмаЖТФ.-1995.-том 2L-вып. З.-С. 86-87.

137. Leenaars A.F., Huethorst J.A.M., van Oekel J.J. Marangoni drying: a new extremely clean * drying process. // Langmuir. -1990. Vol. 6.- P. 1701 - 1703.

138. Thess A., Boos W. A model for Marangoni drying. // Phys. Fluids. —1999. Vol. 11. - P. 3852.

139. Shin J.Y., Abbott N.L. Using Light to Control Dynamic Surface Tension of Aqueous, Solutions of Water Soluble Surfactants. // Langmuir. 1999. - Vol 15.- P. 4404 - 4410.

140. Gallardo B.S., Abbott N.L. Active Control of Interfecial Properties: A Comparison of Monomelic and Dimeric Ferrocenyl Surfactants at the Surface of Aqueous Solutions. // Langmuir. -1997. Vol 13.- P. 203-208.

141. Jong L.L, Abbott N.L. Rate-dependent lowering of surface tension during transformations of water-soluble surfactants from bolaform to monomelic structures. // Langmuir. — 1998 — Vol. 14.— P.2235 — 2237.

142. Gallardo B.S., Hwa M.J.; Abbott N.L. In Situ and Reversible Control of the Surface Activity of Ferrocenyl Surfactants in Aqueous Solutions. // Langmuir. 1995. — Vol. 11. — P. 4209-4212.

143. Chaudhury M.J., Whitesides G.M. How to make water run uphill. // Science. —1992. — Vol. 256.-P. 1539-1541.

144. Kataoka D.E., Troian S.M. Patterning Liquid Flow on the Microscopic Scale. // Nature. -1999. Vol. 402. - P. 794 -797.

145. Daniel S., Chaudhury M.K., Chen J.C. Fast Drop Movements Resulting from the Phase Chang on a Gradient Surface. // Science. 2001 - Vol 291. - P. 633-636.

146. DarhuberA.A., Valentino J.P., Davis J.M., Troian S.M., Wagner S. Microfluidic Actuation; by Modulation of Surface Stresses // Appl. Phys. Lett. 2003. - Vol 82. - N. 4. - P. 657-659.

147. Bin Zhao, J.S. Moore, Beebe D.J. Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels. // Science. 2001. - Vol 291.- P. 1023-1026.

148. Ichimura K., Oh S-K., Nakagawa Mi. Light-Driven Motion of Liquids on a Photoresponsive Surface. // Science. 2000. - Vol 288. - P. 1624-1626.

149. Moller G., Натке M., Motschmann H. Controlling microdroplet by light. // Langmuif.-1998.- Vol 14.-N. 18.- P. 4955 4957.

150. Gugliotti M., Baptista M. S., Politi M.J. Laser-induced Marangoni Convection in the presence of surfactant monolayers. // Langmuir. 2002. - VoL 18. - P. 9792 - 9798.

151. Chiou Pei Yu, Wu M. C. Optical actuation of microfluidics based on opto-electrowetting. // Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, June 2 6,2002, pp. 269 - 272.

152. US Patent 6,296,020 Bl, Oct 2, 2001. Fluid circuit components based upon passive fluid dynamics. M.R. McNeely et.aL // BioMicro Systems, Inc., Sandy, UT (US)

153. US Patent 6,557,427 B2, May 6, 2003: Capillaries for fluid movement within microfluidic channels. B.H. Weigl et.al. //Micronics, Inc. Redmond, WA (US).

154. Tanveer S. The effect of surface tension on the shape of a Hele-Shaw cell bubble. // Phys. Fluids. 1986. - VoL 30. - P. 3537 - 3548.

155. Tanveer S. New solutions for steady bubbles in a Hele-Shaw celL // Phys. Fluids. — 1987. — VoL 30.-P. 651-658.1731 Maxworthy T. Bubble formation, motion, and interaction in a Hele-Show celL //J. Fluid Mech. 1986. - Vol. 173. P. 95.

156. Безуглый Б.А., Иванова H.A. Манипуляция газовым пузырьком в ячейке Хеле-Шоу с помощью пучка света. // Письма в ЖТФ. 2002. — Том. 28. — Вып. 19. — С. 71—75.

157. Ахманов С. А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. МГУ.- 1998. - 656с. стр. 80.

158. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. Наука.-1973. - С. 848.

159. Wozniak G., Balasubramaniam R., Hadland P.H., Subramanian R.S. Temperature fields in a liquid due to the thermocapillary motion of bubbles and drops. // Experiments in Fluids. — 2001. N. 31.-P. 84-89.

160. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец: А.А. Модифицированный метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания. // Колл. журнал. — 2001 — N 6. -С. 735— 741.

161. White F.M. Fluid Mechanics. 2nd EcL N.Y. 1986. P. 265-286

162. Arafune K., Hirata A. Thermal and solutal Marangoni convection in In-Ga-Sb system. // Journal of Crystal Growth. 1998. - Vol. 197. - P.* 811-817.

163. Arafune K., Kodera K., Kinoshita A., Hirata A. Control of crystal-melt interface shape during horizontal Bridgman growth of In-Sb crystal using solutal Marangoni convection. // Journal of Crystal Growth. 2003. - VoL 249. - P. 429-436.

164. Martinez-Bazan C., Montanes J.L., Lasheras J.C. On the breakup of an air bubble injected into a folly developed turbulent flow. // J. Fluid Mech. 1999. - VoL 401. - P. 187-207.

165. Dongying Qian, K. Sankaranarayanan, S. Sundaresan, J. B. McLaughlin. Bubble breakup in homogeneous turbulence. // Chemical Reaction Engineering VII: Computational Fluid Dynamics, Quebec City, Canada, August 6-11,2000.

166. Dongying Qian, Z. Lu, J.B. McLaughlin, K. Kontomaris. Bubble motion, deformation, and breakup in stirred tanks. // AlChE Ann. Meeting. Nov. 4-8,2002, Indianapolis, IN.

167. Melville W.K. The role of surface-wave breaking in air-sea interaction. // Ann. Rev. Fluid Mech. 1996. - Vol 18.-P. 279-321.

168. Higuera F.J. Axisymmetric inviscid interaction of a bubble and a vortex ring. // Phys. Fluids. 2004. - VoL 16. - P. 1156-1159.

169. Choi J.K., Chahine G.L. Characteristics of bubbles splitting in a tip vortex flow. // Fifth International Symposium on Cavitation (CAV2003), Osaka, Japan, November 1-4,2003.

170. Yao H., Ikeda H., Kitamura N. Optical Control of Fusion of Microparticles in Solution and' Simultaneous Spectrophotometric Measurements. // AnaL Chem. —1996. — Vol. 68. — P. 43044307.

171. Ivanova N.A., Cho Hye Jung. Заявка на изобретение J 2003090541, RK 200309 - 004 - 1, Samsung Advanced Institution of Technology, Республика Южная Корея, 2003.

172. Stemme E., Stemme G. A valveless difiuser/nozzle-based fluid pump. // Sens. Actuators. -1993. Vol. A39. - P. 159-167.

173. Bart S., Tavrow L. et. al Micro fabricated electrohydrodynamic pumps. // Sens. Actuators. — 1990. Vol A21-23. -P. 193-197.

174. US Patent 6,458,256 Bl, Oct.l, 2002. Low power electrically-driven microfluidic pumping delivery device. C.J. Zhong. The Research Foundation of the state University of New York, NY (US)

175. US Patent 6,318,970 Bl, Nov.20, 2001. Fluidic device. C.J. Backhouse. Micralyne Inc. Edmonton (CA)

176. US Patent 6,071,081 Jun.6,2000. Heated powered liquid micropump. S. Shiraishi. Seiko Instruments Inc. Japan

177. J. H. Tsai, L. Lin. A Thermal-Bubble-Actuated Micronozzle-Difiuser Pump.// J. Microelectromechanical Systems. 2002. VoL 11. - N. 6. - P. 665 - 667

178. US Patent 6,283,718 Bl, Sep. 4,2001. Bubble based micropump. A. Prosperetti et.al John Hopkins University, Baltimore, MA (US)

179. Y.J. Song, T.S. Zhao. Modeling and test of thermally driven phase change non-mechanical pump. // J. Micromech. Microeng. -2001. - Vol 11'. — P. 713-719.

180. Commander L.G., Day S.E., Chia C.H. Microlenses immersed in nematic liquid crystal with electrically controllable focal length. // FOS Topical Digest Meetings Micro lens Arrays. -1995. -V.-5.-P. 72-76.

181. Commander L.G., Day S.E., Selviah D. R. Variable focal length microlenses. // Optics Communications. 2000. - Vol. 177. - P. 157-170.

182. Block M.J., Harwit M. Free surface of liquids as an optical element. // J. Opt. Soc. Am.-1958. VoL 48. - N. 7.- P. 480-482.

183. Кац A.B., Спевак И.С. Линзовый эффект, обусловленный деформацией поверхности жидкости в результате теплового действия лазерного излучения. // КЭ. 1979. - том. 6. -вып. 7.-С. 1464-1475.

184. Krupenkine Т., Yang S., Mach P. Tunable liquid microlens.// AppLPhys. Letters. 2003-VoL 82. — N. 3.-C. 316-318.

185. Bezuglyi B.A., Shapelenok S.V., Tarasov O.A. Adaptive optical device based on liquid lens. Proceedings of the 2nd Int. Aerospace Congress (IAC'97); Aug. 31 Sep. 5, 1997, Moscow, Russia. STC "Petrovka", VoL II, pp. 31-34,1999.

186. URL:// www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/3. html

187. Клим O.B., Мешковский И.К. Исследование оптико-физических характеристик термосорбционного оптического элемента на основе пористого стекла. // Оптика и Спектроскопия. -1997.-том. 82.-№ 1.-С. 51-54.