Взаимодействие капель и малых объектов с поверхностными акустическими волнами

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. Ломоносова____________________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 534.2БЕГАРЬ Анна ВадимовнаВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАПЕЛЬ И МАЛЫХ ОБЪЕКТОВ СПОВЕРХНОСТНЫМИ АКУСТИЧЕСКИМИ ВОЛНАМИСпециальность 01.04.06 – акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудникВладимир Геннадиевич Можаев.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорВладимир Иванович Балакший (кафедра физики колебаний физического факультетаМГУ),кандидат физико-математических наукВадим Моисеевич Левин (зав.

лабораторией акустической микроскопии Институтабиохимической физики РАН).Ведущая организация:Институт радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН.Защита состоится «_27_» _июня_ 2013 года в _10_ часов на заседаниидиссертационногосоветаД501.001.67приМосковскомгосударственномуниверситете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 2, физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, центральнаяфизическая аудитория им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « _24_ » __мая___ 2013 г.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук, доцентА.Ф.

КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ И ЕГОАКТУАЛЬНОСТЬУстойчивой тенденцией в развитии многих естественных наук, таких какбиология, химия, и физика, является изучение объектов все меньших именьших размеров. На современном этапе эта тенденция проявляется всоздании и развитии нанотехнологий и микроэлектромеханических систем,исследованию которых с каждым годом уделяется все большее внимание вовсехразвитыхисследованияхстранахиграютмира.методыИсключительнотонкоговажнуюфизическогорольввоздействияэтихнаматериальные объекты. Актуальной и сложной научно-технической проблемой,связанной с использованием таких воздействий, является разработка и созданиеминиатюрныхмногофункциональныхавтоматизированныхустройств,получивших название «лабораторий на чипах» или «программируемыхбиочипов» или кратко просто «биочипов» (здесь и далее эти терминыиспользуется как синонимы).

Программируемые биочипы представляют собойобширный класс новых микроэлектронных устройств, предназначенных дляпроведения в автоматическом режиме и в масштабе реального временибыстрых химических и биологических анализов жидких растворов с оченьмалым объемом (порядка микро- и нанолитров), а также оперативного синтезатаких растворов.В качестве движущей силы в программируемых биочипах используютсякак электрические/магнитные воздействия, так и акустические. Идея создания«лабораторий на чипах» с акустической движущей силой была предложена в2000 году профессором Мюнхенского университета А. Виксфорсом и егобывшими аспирантами Ю.

Скрибой и К. Гайером. В ноябре 2000 года ониучредили в Германии специализированную фирму «Advalytix». Название ееобразовано комбинацией английских слов advanced и analytics и в переводе нарусский может быть расшифровано как «Передовые методы анализа».Деятельность данной фирмы в основном была нацелена на создание прототипови малосерийный выпуск акустических биочипов.

Инициатива немецких1специалистов по созданию акустических лабораторий на чипах и изучениюпротекающих в них процессов была подхвачена многими зарубежнымиучеными, и в настоящее время исследования в этом направлении активнопроводятся в разных странах мира. Акустические волны в таких устройствахмогут использоваться как для пространственного перемещения материальныхобъектов, так и для контролируемого деления и нагрева микрокапель,интенсификации в них биохимических реакций, эмульгирования и распылениякапель, сушки и очистки рабочих поверхностей, а также измерения параметрови свойств капель. Следует, однако, отметить, что в продукции фирмы«Advalytix» акустические волны преимущественно использовались лишь длясоздания в каплях вихревых акустических течений с целью ускоренияпротекающих в них химических или биологических процессов.Ожидается,чторазработка,созданиеимассовыйвыпускмногофункциональных и высокоэффективных программируемых акустическихбиочипов, обладающих широкими возможностями проведения разнообразныххимических и биологических анализов, а также синтеза растворов с заданнымисвойствами, может вызвать кардинальные улучшения и революционныеизменения в аппаратных средствах современной медицины, фармакологии,молекулярной биологии, микро- и нанохимии.

Однако, разработка и созданиелабораторий на чипах представляет собой весьма сложную проблему, лежащуюнастыкеразличныхобластейзнаний,включающихфизику,химию,микроэлектронику, механику, биологию и медицину. На пути решения этойкомплексной проблемы - немало трудностей и есть еще много нерешенныхзадач. Хотя поверхностные акустические волны (ПАВ) ультразвуковых частотуже используются в опытных образцах лабораторий на чипах, тем не менее,остаетсяещемногонеясноговвопросеофизическихмеханизмахвзаимодействия капель различных растворов с поверхностными акустическимиволнами на пьезоэлектрических подложках.

В частности, к числу актуальных,но недостаточно изученных вопросов относятся механизмы акустическоготранспорта капель, динамическое искажение их формы, воздействие капель на2сами акустические поля, а также свойства резонансных колебаний капель,прижатых силой тяжести к подложке.ЦЕЛЬ РАБОТЫОбщей целью настоящей диссертационной работы является выявление иизучение новых физических особенностей взаимодействия капель и малыхобъектов с поверхностными акустическими волнами на твердотельныхподложкахсцельюулучшенияпониманияфизическихпроцессов,протекающих при функционировании акустических «лабораторий на чипах».ЗАДАЧИ РАБОТЫВ качестве основных задач работы для достижения поставленной целибыли выбраны:1.Экспериментальное и теоретическое изучение транспорта капель поддействиембегущихповерхностныхакустическихволннапьезокристаллических ультразвуковых линиях задержки.

Анализ влияния следарастекшейся капли на распределение акустических полей в кристаллическойподложке.2.Экспериментальное и теоретическое изучение искажения формы каплипри воздействии встречных квазистоячих поверхностных акустических волн напьезокристаллических ультразвуковых линиях задержки.3.Экспериментальноеитеоретическоеизучениединамикиформыповерхности капли при воздействии бегущих поверхностных акустическихволн на наклонных пьезокристаллических ультразвуковых линиях задержки.4.Теоретическое исследование транспорта малых объектов при воздействииволновых импульсов.5.Развитие теории локализованных резонансных колебаний в капле,прижатой силой тяжести к твердотельной подложке.3НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ1.В работе экспериментально наблюдались два новых физическихэффекта.Одинизквазистационарногонихпикасостоитнавобразованииповерхностикаплисолитоноподобноговполевстречныхповерхностных акустических волн.

Другим являются автоколебания в капле,лежащей на наклонной подложке, при воздействии на каплю бегущихповерхностных акустических волн.2.Теоретически установлена новая возможность достижения транспортамалых объектов при чисто линейном воздействии на них волновых импульсов.Показано, что в отличие от известных нелинейных механизмов для изучаемогомеханизма реализуется двунаправленность транспорта, управляемая лишь припомощи изменения фазовых соотношений без изменения направленияраспространения волнового импульса.3.На примере поверхностных акустических волн, распространяющихсяпод следом капли на анизотропных подложках, и сдвиговых волн в кристаллахс градиентом плотности предсказан новый эффект резкого усиленияволноводнойлокализациивусловиях,когдаанизотропияподавляетдифракцию.4.Объяснены причины и построена теория краевой локализациикапиллярных резонансных колебаний в капле на подложке в предельном случаенесмачиваемой поверхности.

На основе аналогии формы капли и лазерныхрезонаторов выявлена и описана локализация толщинных акустическихрезонансов в капле на подложке.НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫЛюбое наблюдение новых эффектов и явлений расширяет нашипредставления об окружающем мире, и в этом отношении два новых эффекта,экспериментально обнаруженных в данной работе, несомненно, имеют большоенаучноезначение.Сдругойстороны,исследования,проведенныевдиссертационной работе, были инициированы перспективными практическими4применениями акустических волн в «лабораториях на чипах». Поэтомуполученные результаты имеют и практическую значимость для разработки,создания и оптимизации отмеченных устройств. В частности, изучаемые вработе эффекты важны для правильной интерпретации сложных процессов,протекающих в акустических биочипах. Например, проведенное в работеисследование пространственной неоднородности распределения акустическихполей в биочипах важно, поскольку эффективность функционирования этихустройствнапрямуюопределяетсяамплитудойвозбуждаемыхвнихакустических волн.

Развитая теория импульсно-колебательного транспортаобъясняет и описывает особенности электрофореза и диэлектрофореза в полеэлектростатических волн, которые ранее наблюдались при численноммоделировании и в эксперименте, но не были объяснены, а оба этих процессаиспользуются в практических целях, например, для разделения частиц илибиологических клеток по свойствам и размерам, а также для их транспорта.Важность проведенного в работе изучения резонансов в капле обусловлена тем,что эффективность протекания физических процессов в резонансных условияхможет многократно возрастать.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ1.Воздействие встречных высокочастотных поверхностных акустическихволн большой амплитуды на каплю, лежащую на подложке, как показываетпроведенный эксперимент, приводит к квазистационарному искажению ееформы с образованием в центре солитонообразного пика.2.Воздействиевысокочастотныхповерхностныхакустическихволнбольшой амплитуды, бегущих по наклонной подложке от нижнего края кверхнему, как показывает проведенный эксперимент, приводит к возбуждениюв капле, лежащей на подложке, низкочастотных автоколебаний.

Этиавтоколебанияимеютвидпериодическогообразованияидвижениямикрокапелек по поверхности исходной капли от ее нижнего края к верхнему споследующим их расплыванием на верхнем крае и стеканием вниз.53.Поступательный транспорт малых по сравнению с длиной волныобъектов согласно проведенному теоретическому анализу принципиальновозможен за счет линейных по амплитуде волны импульсно-волновыхвоздействий, т.е. возможен в условиях, когда средняя по времени силавоздействия на объект равна нулю.