Forprogrammerede mikrofluidiske systemer tilbyder nye kontrolfunktioner

Mikrofluidiske systemer har magten til at revolutionere medicin, energi, elektronik og endda rumforskning. Men den store størrelse af det eksterne udstyr, der kræves til styring af disse kvartstore enheder, har begrænset deres anvendelse til bærbare, bærbare teknologier.

Nu skubber forskere fra Northwestern University mikrofluidik tættere på at nå sit sande potentiale.

I en nylig undersøgelse, forskerne opdagede, hvordan man forprogrammerer enhedernes netværksstrukturer på en måde, der styrer, hvordan væsker flyder og blander sig gennem mikropiperne. Resultatet? Et skridt mod smart designet mikrofluidiske systemer, der opfører sig som en computerchip uden at stole på eksterne komponenter.

"Den nuværende mikrofluidteknologi kræver ofte et skrivebord fyldt med udstyr for at betjene noget på størrelse med et kvarter, "sagde Northwestern's Adilson Motter, seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi tog den kontrol, der leveres af eksterne systemer, og indbyggede den i enhedens struktur."

Undersøgelsen blev offentliggjort i dag (23. oktober) i tidsskriftet Natur . Motter er Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i fysik ved Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences. Daniel Case, en kandidatstuderende i Motters laboratorium, er papirets første forfatter. Det nordvestlige team arbejdede sammen med kollaboratører ved St. Louis University og University of Normandy i Frankrig.

Mikrofluidiske systemer er miniaturiserede kemiske laboratorier dannet af et netværk af rør - hver af dem er bredden af ​​en hårstreng. Disse enheder kan bruges til applikationer lige fra at udføre små eksperimenter til at udføre kompleks medicinsk diagnostik, lægemiddellevering og sundhedsovervågning

Problemet er, at for at kunne udføre komplicerede tests og eksperimenter, skal flere væsker strømme, blande, reagere, adskille og skifte retning alle inden for disse små netværk. Hver aktivitet kræver en trykpumpe, og hver pumpe styres af en ekstern enhed. Forskere har kæmpet i de sidste par årtier, forsøger - og ofte ikke - at lokke væsker til selv at bevæge sig gennem disse netværk, uden behov for eksternt udstyr.

"Forestil dig at kunne pakke enheder og sætte dem på space rovers, "Sag sagde." Du kunne køre kemisk analyse på Mars. Men byrden ved at have brug for alt dette eksterne udstyr begrænser virkelig denne mulighed. "

Motter, Case og deres samarbejdspartnere designede endelig et mikrofluidisk netværk, hvor alle blandingssekvenser er forudprogrammeret. I deres design, en kilde til påført tryk - i stedet for dedikeret udstyr - styrer væskerne i netværket. Ved at designe, hvor meget tryk der er behov for, og det sted, hvor tryk påføres, forskerne forudbestemte, hvordan væsken løb gennem netværket.

Teamet øgede også væskens strømningshastighed ved at fjerne en af ​​de hårlignende kanaler i systemet. Case ligner dette med Braess paradoks, en berømt matematisk observation om, at fjernelse af en vej fra et trafiknet kan forbedre trafikafviklingen.

"I disse netværk, du har væskestrømme fra flere rør, der er forbundet, "Sag sagde." Væsker kolliderer med hinanden ved krydset, og disse kollisioner skaber ineffektivitet, så forbindelser i netværket introducerer lokaliserede områder med overbelastning. Når du fjerner de kanaler, der opretter disse forbindelser, du fjerner også kollisionspunkter. "