Wanneer medische laboratoria bloedmonsters analyseren op tekenen van ziekte, ze gebruiken soms instrumenten die afhankelijk zijn van een technologie die digitale microfluïdica wordt genoemd. De techniek maakt gebruik van elektrische signalen om kleine druppeltjes van het monster over een oppervlak te trekken, zodat ze kunnen worden geanalyseerd.

Een nadeel van het proces is dat de elektrische signalen de neiging hebben om het oppervlak te beschadigen waar de druppeltjes overheen gaan, waardoor het apparaat onverwacht kan falen of na verloop van tijd kan verslechteren.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van UCLA-ingenieurs en wetenschappers heeft aangetoond dat digitale microfluïdische apparaten veel duurzamer kunnen worden gemaakt als ze de elektrische signalen gebruiken om te duwen, in plaats van trekken, de druppeltjes over het oppervlak.

Een paper over het werk werd gepubliceerd in Natuur . De vooruitgang zou kunnen leiden tot krachtigere en betrouwbaardere analytische instrumenten voor biochemische laboratoria en milieumonitoring. Het zou ook de duurzaamheid kunnen verbeteren van de op vloeistof gebaseerde lenzen die worden gebruikt in apparaten zoals barcodelezers en tandheelkundige camera's. Die lenzen kunnen snel scherpstellen omdat ze een heldere druppel bevatten die snel van vorm verandert als reactie op elektrische signalen.

Digitale microfluïdische technologie wordt al bijna twee decennia bestudeerd; het verscheen voor het eerst in commerciële lenzen ongeveer 10 jaar geleden en meer recentelijk in diagnostische instrumenten. Daten, de apparaten hebben waterafstotend gebruikt, of hydrofoob, oppervlakken, waardoor water parelt - vergelijkbaar met hoe het zich gedraagt ​​​​op een kookpan met antiaanbaklaag.

Op hydrofobe oppervlakken, het toepassen van elektrische spanning op het ene uiteinde van een druppelvormige druppel zorgt ervoor dat dat uiteinde naar het oppervlak wordt aangetrokken en plat wordt - een fenomeen dat electrowetting wordt genoemd. Dat komt doordat water elektriciteit kan geleiden, en een druppel is klein genoeg om door zijn oppervlaktespanning als één geheel bij elkaar te blijven. Dat, gecombineerd met het feit dat het andere uiteinde van de druppel nog steeds wordt afgestoten door het oppervlak, zorgt ervoor dat de hele druppel naar het afgeplatte uiteinde beweegt, in feite "trekken" de vloeistof naar de plaats waar elektrische spanning wordt toegepast.

Echter, de meeste materialen zijn hydrofiel - wanneer er waterdruppels op worden geplaatst, ze worden van nature plat - dus digitale microfluïdische apparaten gebruiken oppervlakken die zijn bedekt met een dunne hydrofobe laag. Maar die coatings hebben de neiging om te falen omdat ze door spanning kunnen degraderen of barsten.

Om dat probleem op te lossen, onderzoekers onder leiding van Chang-Jin "CJ" Kim, de Volgenau Professor of Engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering, uiteengezet om druppeltjes te laten bewegen op een oppervlak zonder hydrofobe coating.

"Als iemand een vloeistofdruppel van zijn achterkant zou kunnen duwen, in plaats van het van de voorkant te trekken, het oppervlak hoeft niet hydrofoob te zijn, " hij zei.

Het probleem, Kim zei, was dat een elektrisch signaal alleen kan worden gebruikt om een ​​druppel naar de plaats te trekken waar de spanning wordt toegepast - het kan niet worden gebruikt om een ​​druppel weg te duwen.

De oplossing van de onderzoekers was om een ​​kleine hoeveelheid elektrisch geladen oppervlakteactieve stof aan de vloeistof toe te voegen. (Een oppervlakteactieve stof is een stof waarvan de moleculen aan de ene kant water afstoten en aan de andere kant aantrekken - zeep is een voorbeeld.) de ingenieurs konden elektrische signalen gebruiken om de oppervlakteactieve stof in de druppel te verplaatsen.

"Alleen elektrische signalen gebruikend, we kunnen de oppervlakteactieve moleculen in de druppel naar een hydrofiel oppervlak trekken om delen ervan om te zetten in hydrofoob, " zei Kim, die ook lid is van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

Ze noemden het proces electrodewetting - een naam die ze kozen om te benadrukken dat het het tegenovergestelde is van de standaard electrowetting-techniek.

Door spanning toe te passen op het ene uiteinde van de druppel op een hydrofiel oppervlak, kwamen de geladen oppervlakteactieve moleculen daar samen, die op zijn beurt de druppel van het oppervlak omhoog duwde en vervolgens naar voren, weg van waar de elektriciteit wordt toegepast. Dat, in werkelijkheid, maakte de druppel in staat om aan het ene uiteinde te parelen, en over het oppervlak bewegen zonder dat er een speciale topcoat nodig is.

Door de richting van de spanning om te keren, de onderzoekers konden de oppervlakteactieve moleculen ook wegtrekken van het oppervlak, waardoor de druppel terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm, afgeplatte vorm. Het elektrodebevochtigingsmechanisme gebruikt minder dan 5 volt - slechts 2% van de spanning die in de huidige technologieën wordt gebruikt.

De onderzoekers toonden aan dat het proces kan worden gebruikt om individuele druppeltjes te scheiden van een grotere druppel water, dan verplaatst, opgesplitst en weer samengevoegd - de vier basisbewerkingen in digitale microfluïdica.

Ze testten de aanpak met water en verschillende oplosmiddelen en bufferoplossingen die veel worden gebruikt in de chemie en biologie. Ze herhaalden ook het bevochtigen en ontvochtigen van een waterdruppel 10, 000 keer meer dan zes uur. Bij elk experiment de elektrodewetting was succesvol:er waren geen storingen, en het oppervlak van het apparaat vertoonde geen tekenen van degradatie, zelfs wanneer veel hogere spanningen en stromen werden gebruikt.