Группа учёных из Института прикладной физики РАН разработала новый способ диагностики многокомпонентных жидкостей на основе регистрации динамики процессов самоорганизации высыхающих капель. Капля жидкости, высыхающая на твердой смачиваемой подложке, представляет собой естественную модель самоорганизующейся системы

Группа учёных из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) разработала новый способ диагностики многокомпонентных жидкостей на основе регистрации динамики процессов самоорганизации высыхающих капель. Уникальность предлагаемого способа состоит в том, что при фиксированных условиях (температуре, влажности, давлении) результаты измерения этих процессов является их паспортной характеристикой.

Капля жидкости, высыхающая на твердой смачиваемой подложке, представляет собой естественную модель самоорганизующейся системы с огромным разнообразием вариантов динамики процессов молекулярной самосборки, в зависимости от состава и структуры жидкости. Процесс высыхания капли определяется исходными параметрами раствора: поверхностным натяжением, смачиваемостью, вязкостью и т. д. В результате меняются физические свойства капли, динамика которых может быть зарегистрирована.

Создан прототип устройства, позволяющий количественно регистрировать динамику этих процессов. Капля исследуемой жидкости высушивается на поверхности кварцевого резонатора, колеблющегося на ультразвуковой частоте. При этом в капле возбуждаются сдвиговые колебания, и она проявляет себя как объект с комплексным акусто-механическим импедансом, нагружающим резонатор. Регистрация динамики фазовых переходов осуществляется по характерным особенностям составляющих комплексной электрической проводимости резонатора, изменяющихся в процессе высыхания капли и отображаемых в виде «диаграммы высыхания». Тестирование жидкости в виде капли определенного объема позволяет учитывать и такие ее характеристики, как смачивание, величину поверхностного натяжения, вязкость, определяющие форму (куполообразность) капли и площадь соприкосновения с подложкой, что вносит свой вклад в особенности динамики регистрируемого сигнала. Таким образом, любое изменение состава жидкости влияет на ее физические свойства и отражается на характере динамики фазовых переходов (форме «диаграммы высыхания»).

Решающим фактором при этих измерениях является их чрезвычайная чувствительность к возникновению и росту новой фазы на границе жидкость — кварц, а также к акустическим и механическим свойствам образующихся структур. Величина сигнала отражается на экране в режиме реального времени в виде кривой. Авторами разработки экспериментально доказано, что форма этой кривой является паспортной характеристикой жидкости. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить количественное сравнение формы кривых исследуемых жидкостей с данными эталонов, хранящимися в памяти устройства, и выдавать заключение о соответствии или несоответствии жидкости своему эталону. Демонстрируются примеры использования технологии в медицинской диагностике, контроле качества пищевых продуктов и лекарств.