Sinds de jaren 1990, wetenschappers hebben de mogelijkheden onderzocht van geminiaturiseerde chemische "laboratoria" op een chip, die potentieel hebben als point-of-care diagnostiek, analysekits voor veldonderzoek en ooit zelfs voor het uitvoeren van chemische tests op andere planeten.

In een normaal laboratorium scheikundigen gebruiken bekers om chemicaliën te mengen en reacties te bestuderen. In een geminiaturiseerd laboratorium microfluïdische systemen kunnen chemische experimenten uitvoeren op een chip door een reeks kleine verbonden buisjes ter grootte van een haar.

Deze technologie is momenteel in gebruik, vooral op medisch gebied, die organen-op-een-chip maakt voor onderzoek. Echter, het potentieel van de technologie is niet volledig bereikt omdat de chemische reacties worden gecontroleerd door grote apparatuur die zich vaak buiten de chip bevindt.

In een recente studie gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van Saint Louis University samen met collega's van Northwestern University en Normandie Universite deelden hun ontdekking van een manier om ingebouwde controles in een microfluïdisch netwerk te programmeren.

"We hebben onze inspiratie gehaald uit elektronica, waarin de bedieningselementen van een chip op zichzelf staan, " zei Istvan Kus, doctoraat, hoogleraar scheikunde aan de Saint Louis University. "Toen we begonnen met het onderzoek op dit gebied, we zeiden:'Waarom bouwen we geen kleine reactoren, sub-millimeter-formaat. We gebruikten slechts een klein aantal reactoren, dus het sturen van de stroom was gemakkelijk met eenvoudig, kleine buisjes. Maar nu, om de technologie vooruit te helpen, we hebben de chip iets gecompliceerder nodig, met veel reactoren en buizen ertussen, om meer als een circuit te werken."

Om dit probleem op te lossen, onderzoekers combineerden netwerktheorie en vloeistofmechanica en creëerden controles die volledig op de chip werkten.

Samen met Yifan Liu, doctoraat, afgestudeerd onderzoeksassistent bij SLU en andere collega's, Kiss ontwierp een netwerk met een niet-lineaire relatie tussen de toegepaste druk en de stroomsnelheid, die kan worden gebruikt om de richting van de vloeistofstroom te veranderen door eenvoudig de ingangs- en uitgangsdruk te veranderen.

Gebaseerd op een contra-intuïtieve theorie over verkeerspatronen, de wetenschappers ontdekten dat snelkoppelingen niet altijd de snelste weg van punt A naar punt B zijn. Een fenomeen dat bekend staat als de paradox van Braess heeft aangetoond - in verkeerspatronen, elektronica, veren - dat het soms hebben van meer paden om te reizen het verkeer in feite vertraagt ​​​​in plaats van versnelt.

"We hebben een netwerk opgebouwd dat die paradox laat zien, Kiss zei. "Terwijl we bestudeerden hoe watermoleculen om obstakels heen gaan, het creëerde een 'klep'. Watermoleculen worden van hun pad afgeleid. Bij lage stroomsnelheden, ze gaan naar de hindernissen, terwijl bij hoge stroomsnelheden, ze gaan de andere kant op."

"Als we een snelkoppelingskanaal sluiten, het resulteert in een hogere, in plaats van lager, totale stroomsnelheid. We zijn geïnteresseerd in hoe dergelijke veranderingen in stroomsnelheden en richtingen uiteindelijk de chemische reacties in de reactoren zullen veranderen."

Deze technologie kan worden gebruikt om draagbare laboratoriumtestsystemen te creëren en om nieuwe toepassingen te ontwerpen, zoals wearables voor gezondheidsmonitoring of inzetbare ruimtesystemen.