Supertynde membraner baner vejen for pumper i spånstørrelse

Evnen til at skrumpe laboratorie-skala processer til automatiserede chip-størrelse systemer ville revolutionere bioteknologi og medicin. For eksempel, billige og meget bærbare enheder, der behandler blodprøver for at påvise biologiske agenser, såsom miltbrand, er nødvendige af det amerikanske militær og til indsatsen inden for hjemmelandssikkerhed. En af udfordringerne ved "lab-on-a-chip" teknologi er behovet for miniaturiserede pumper til at flytte løsninger gennem mikrokanaler. Elektroosmotiske pumper (EOP'er), enheder, hvor væsker ser ud til at bevæge sig på magisk vis gennem porøse medier i nærvær af et elektrisk felt, er ideelle, fordi de let kan miniaturiseres. EOP'er dog kræver omfangsrige, eksterne strømkilder, som besejrer begrebet bærbarhed. Men en supertynd siliciummembran udviklet ved University of Rochester kunne nu gøre det muligt drastisk at skrumpe strømkilden, baner vejen for diagnostiske enheder på størrelse med et kreditkort.

"Indtil nu, elektroosmotiske pumper har skullet arbejde ved en meget høj spænding - omkring 10 kilovolt, " sagde James McGrath, lektor i biomedicinsk teknik. "Vores enhed fungerer i området en fjerdedel af en volt, hvilket betyder, at den kan integreres i enheder og drives med små batterier."

McGraths forskningspapir udgives i denne uge af tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

McGrath og hans team bruger porøse nanokrystallinske silicium (pnc-Si) membraner, der er mikroskopisk tynde - der skal mere end tusind stablet oven på hinanden for at svare til bredden af ​​et menneskehår. Og det er det, der giver mulighed for et lavspændingssystem.

En porøs membran skal placeres mellem to elektroder for at skabe det, der er kendt som elektroosmotisk flow, som opstår, når et elektrisk felt interagerer med ioner på en ladet overflade, får væsker til at bevæge sig gennem kanaler. Membranerne tidligere brugt i EOP'er har resulteret i et betydeligt spændingsfald mellem elektroderne, tvinger ingeniører til at begynde med voluminøse, højspændingsstrømkilder. De tynde pnc Si-membraner gør det muligt at placere elektroderne meget tættere på hinanden, skabe et meget stærkere elektrisk felt med et meget mindre spændingsfald. Som resultat, en mindre strømkilde er nødvendig.

"Indtil nu, ikke alt forbundet med miniaturepumper blev miniaturiseret, " sagde McGrath. "Vores enhed åbner døren for et enormt antal applikationer."

Sammen med medicinske applikationer, det er blevet foreslået, at EOP'er kunne bruges til at køle elektroniske enheder. Efterhånden som elektroniske enheder bliver mindre, komponenter er pakket tættere, gør det lettere for enhederne at overophedes. Med miniature strømforsyninger, det kan være muligt at bruge EOP'er til at afkøle bærbare computere og andre bærbare elektroniske enheder.

McGrath sagde, at der er en anden fordel ved siliciummembranerne. "På grund af skalerbare fremstillingsmetoder, de nanokrystallinske siliciummembraner er billige at fremstille og kan nemt integreres på silicium eller silica-baserede mikrovæskechips."