Het vermogen om processen op laboratoriumschaal te verkleinen tot geautomatiseerde systemen op chipformaat zou een revolutie teweegbrengen in de biotechnologie en de geneeskunde. Bijvoorbeeld, goedkope en zeer draagbare apparaten die bloedmonsters verwerken om biologische agentia zoals miltvuur te detecteren, zijn nodig voor het Amerikaanse leger en voor inspanningen op het gebied van binnenlandse veiligheid. Een van de uitdagingen van de "lab-on-a-chip"-technologie is de behoefte aan geminiaturiseerde pompen om oplossingen door microkanalen te verplaatsen. Elektro-osmotische pompen (EOP's), apparaten waarin vloeistoffen op magische wijze door poreuze media lijken te bewegen in aanwezigheid van een elektrisch veld, zijn ideaal omdat ze gemakkelijk kunnen worden geminiaturiseerd. EOP's echter, vereisen omvangrijk, externe stroombronnen, die het concept van draagbaarheid verslaat. Maar een superdun siliciummembraan ontwikkeld aan de Universiteit van Rochester zou het nu mogelijk kunnen maken om de stroombron drastisch te verkleinen, de weg vrijmaakt voor diagnostische apparaten ter grootte van een creditcard.

"Tot nu toe, elektro-osmotische pompen moesten werken op een zeer hoge spanning - ongeveer 10 kilovolt, " zei James McGrath, universitair hoofddocent biomedische technologie. "Ons apparaat werkt in het bereik van een kwart volt, wat betekent dat het kan worden geïntegreerd in apparaten en gevoed kan worden met kleine batterijen."

McGrath's onderzoekspaper wordt deze week gepubliceerd door het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

McGrath en zijn team gebruiken poreuze membranen van nanokristallijn silicium (pnc-Si) die microscopisch dun zijn - er zijn er meer dan duizend op elkaar gestapeld nodig om de breedte van een mensenhaar te evenaren. En dat is wat een laagspanningssysteem mogelijk maakt.

Er moet een poreus membraan tussen twee elektroden worden geplaatst om een ​​zogenaamde elektro-osmotische stroming te creëren. die optreedt wanneer een elektrisch veld interageert met ionen op een geladen oppervlak, waardoor vloeistoffen door kanalen gaan. De membranen die eerder in EOP's werden gebruikt, hebben geleid tot een aanzienlijke spanningsval tussen de elektroden, ingenieurs dwingen om te beginnen met omvangrijke, hoogspanningsbronnen. Door de dunne pnc Si-membranen kunnen de elektroden veel dichter bij elkaar worden geplaatst, het creëren van een veel sterker elektrisch veld met een veel kleinere daling van de spanning. Als resultaat, een kleinere stroombron nodig is.

"Tot nu toe, niet alles wat met miniatuurpompen te maken had, was geminiaturiseerd, "zei McGrath. "Ons apparaat opent de deur voor een enorm aantal toepassingen."

Naast medische toepassingen, er is gesuggereerd dat EOP's kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten te koelen. Naarmate elektronische apparaten kleiner worden, componenten zijn strakker verpakt, waardoor het gemakkelijker wordt voor de apparaten om oververhit te raken. Met miniatuur voedingen, het kan mogelijk zijn om EOP's te gebruiken om laptops en andere draagbare elektronische apparaten te koelen.

McGrath zei dat er nog een ander voordeel is voor de siliciummembranen. "Dankzij schaalbare fabricagemethoden, de nanokristallijne siliciummembranen zijn goedkoop te maken en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd op microfluïde chips op basis van silicium of silica."