Microfluïdische systemen hebben de kracht om een ​​revolutie teweeg te brengen in de geneeskunde, energie, elektronica en zelfs verkenning van de ruimte. Maar de enorme omvang van de externe apparatuur die nodig is om deze kwartformaat apparaten te bedienen, heeft het gebruik ervan in draagbare, draagbare technologieën.

Nu brengen onderzoekers van de Northwestern University microfluïdica dichter bij het bereiken van zijn ware potentieel.

In een recente studie, de onderzoekers ontdekten hoe ze de netwerkstructuren van de apparaten konden voorprogrammeren op een manier die regelt hoe vloeistoffen stromen en zich door de micropijpen mengen. Het resultaat? Een stap in de richting van slim ontworpen microfluïdische systemen die zich gedragen als een computerchip zonder afhankelijk te zijn van externe componenten.

"De huidige microfluïdische technologie vereist vaak een desktop vol apparatuur om iets ter grootte van een kwart te bedienen, " zei Adilson Motter van Northwestern, senior auteur van de studie. "We hebben de controle van externe systemen overgenomen en ingebouwd in de structuur van het apparaat."

De studie werd vandaag (23 oktober) gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Motter is de Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar natuurkunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Daniël Case, een afgestudeerde student in het laboratorium van Motter, is de eerste auteur van de krant. Het Northwestern-team werkte samen met medewerkers van de St. Louis University en de University of Normandy in Frankrijk.

Microfluïdische systemen zijn geminiaturiseerde chemische laboratoria die worden gevormd door een netwerk van pijpen - die elk de breedte van een haarlok hebben. Deze apparaten kunnen worden gebruikt voor toepassingen variërend van het uitvoeren van kleinschalige experimenten tot het uitvoeren van complexe medische diagnostiek, medicijnafgifte en gezondheidsmonitoring

Het probleem is dat - om gecompliceerde tests en experimenten uit te voeren - meerdere vloeistoffen moeten stromen, mengen, Reageer, scheid en wissel van richting, allemaal binnen deze kleine netwerken. Elke activiteit vereist een drukpomp, en elke pomp wordt bestuurd door een extern apparaat. Onderzoekers hebben de afgelopen decennia geworsteld, proberen - en vaak falen - om vloeistoffen over te halen om autonoom door deze netwerken te bewegen, zonder externe apparatuur.

"Stel je voor dat je apparaten kunt inpakken en op ruimterovers kunt plaatsen, Case zei. 'Je zou chemische analyses op Mars kunnen uitvoeren. Maar de last om al deze externe apparatuur nodig te hebben, beperkt die mogelijkheid echt."

moeder, Case en hun medewerkers hebben uiteindelijk een microfluïdisch netwerk ontworpen waarin alle mengsequenties voorgeprogrammeerd zijn. In hun ontwerp, één bron van toegepaste druk - in plaats van speciale apparatuur - regelt de vloeistoffen in het netwerk. Door te ontwerpen hoeveel druk nodig is en de plaats waar druk wordt uitgeoefend, de onderzoekers bepaalden vooraf hoe de vloeistof door het netwerk stroomde.

Het team verhoogde ook de stroomsnelheid van de vloeistof door een van de haarachtige kanalen in het systeem te verwijderen. Case vergelijkt dit met de paradox van Braess, een beroemde wiskundige observatie dat het verwijderen van een weg uit een verkeersnetwerk de verkeersstroom kan verbeteren.

"In deze netwerken je hebt vloeistofstromen van meerdere leidingen die op elkaar zijn aangesloten, Case zei. "Vloeistoffen botsen met elkaar op de kruising, en deze botsingen creëren inefficiënties, dus verbindingen in het netwerk introduceren gelokaliseerde congestiegebieden. Wanneer u de kanalen verwijdert die deze verbindingen tot stand brengen, je verwijdert ook botsingspunten."