Forskere designer indbyggede kontroller til minikemiske laboratorier på en chip

Siden 1990'erne har forskere har undersøgt mulighederne for miniaturiserede kemiske "laboratorier" på en chip, som har potentiale som point-of-care diagnostik, analysesæt til feltforskning og engang endda foretage kemiske test på andre planeter.

I et normalt laboratorium, kemikere bruger bæger til at blande kemikalier og studere reaktioner. I et miniaturiseret laboratorium, mikrofluidiske systemer kan udføre kemiske forsøg på en chip gennem en række små tilsluttede rør på størrelse med et hår.

Denne teknologi er i øjeblikket i brug, især på det medicinske område, som skaber organer-på-en chip til forskning. Imidlertid, teknologiens potentiale er ikke fuldt ud nået, fordi de kemiske reaktioner styres af stort udstyr, der ofte er uden for chippen.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur , forskere fra Saint Louis University sammen med kolleger fra Northwestern University og Normandie Universite delte deres opdagelse af en måde at programmere indbyggede kontroller i et mikrofluidnetværk.

"Vi tog vores inspiration fra elektronik, hvor en chips kontroller er selvstændige, "sagde Istvan Kiss, Ph.d., professor i kemi ved Saint Louis University. "Da vi startede forskningen på dette område, vi sagde 'Hvorfor bygger vi ikke små reaktorer, sub-millimeter størrelse. Vi brugte kun et lille antal reaktorer, så det var let at styre strømmen med enkel, små rør. Men nu, at fremme teknologien, vi har brug for, at chippen er lidt mere kompliceret, med mange reaktorer og rør imellem, at fungere mere som et kredsløb. "

For at løse dette problem, forskere kombinerede netværksteori og væskemekanik og skabte kontroller, der udelukkende opererede på chippen.

Sammen med Yifan Liu, Ph.d., forskerassistent på SLU og andre kolleger, Kiss designet et netværk med et ikke -lineært forhold mellem det påførte tryk og strømningshastighed, som kan bruges til at skifte væskestrømningsretning simpelthen ved at ændre input og output tryk.

Tag et fingerpeg om en kontraintuitiv teori om trafikmønstre, forskerne fandt ud af, at genveje ikke altid er den hurtigste vej fra punkt A til punkt B. Et fænomen kendt som Braess paradoks har vist - i trafikmønstre, elektronik, fjedre - at nogle gange har flere veje til at rejse faktisk bremser trafikken frem for at fremskynde den.

"Vi har opbygget et netværk, der viser det paradoks, "Kiss sagde." Da vi studerede, hvordan vandmolekyler går omkring forhindringer, det skabte en 'ventil'. Vandmolekyler afledes fra deres veje. Ved lave strømningshastigheder, de går mod forhindringerne, ved høje strømningshastigheder, de går den modsatte vej. "

"Når vi lukker en genvejskanal, det resulterer i en højere, frem for lavere, samlede strømningshastighed. Vi er interesserede i, hvordan sådanne ændringer i strømningshastigheder og retninger i sidste ende vil ændre de kemiske reaktioner i reaktorerne. "

Denne teknologi kan bruges til at oprette bærbare laboratorietestsystemer samt til at designe nye applikationer, såsom sundhedsovervågning wearables eller implementerbare rumsystemer.