Теперь исследователи Северо-Западного университета приближают микрофлюидику к раскрытию своего истинного потенциала.
В недавнем исследовании исследователи обнаружили, как предварительно запрограммировать сетевые структуры устройств таким образом, чтобы контролировать, как текучие среды текут и смешиваются в микротрубках.
Результат? Шаг к интеллектуально разработанным микрожидкостным системам, которые ведут себя как компьютерные микросхемы, не полагаясь на внешние компоненты.
«Современная микрофлюидная технология часто требует наличия рабочего стола, полного оборудования для работы с чем-то размером в четверть», – сказал Адилсон Моттер из Northwestern, старший автор исследования. "Мы взяли управление, обеспечиваемое внешними системами, и встроили его в структуру устройства."
Исследование было опубликовано сегодня (окт. 23) в журнале Nature. Моттер – Чарльз Э. и Эмма Х. Моррисон, профессор физики Северо-Западного колледжа искусств и наук Вайнберга.
Дэниел Кейс, аспирант лаборатории Моттера, является первым автором статьи. Команда Northwestern работала с сотрудниками в St. Университет Луи и Нормандский университет во Франции.
Микрожидкостные системы – это миниатюрные химические лаборатории, образованные сетью труб, каждая из которых равна ширине пряди волос.
Эти устройства могут использоваться для различных приложений, от проведения небольших экспериментов до выполнения сложной медицинской диагностики, доставки лекарств и мониторинга состояния здоровья
Проблема в том, что для проведения сложных тестов и экспериментов несколько жидкостей должны течь, смешиваться, реагировать, разделять и переключать направления внутри этих крошечных сетей. Для каждого вида деятельности требуется нагнетательный насос, и каждый насос управляется внешним устройством. В течение последних нескольких десятилетий исследователи боролись, пытаясь – и часто безуспешно – уговорить жидкости перемещаться по этим сетям автономно, без необходимости во внешнем оборудовании.
«Представьте, что вы можете упаковать устройства и разместить их на космических вездеходах», – сказал Кейс. "Вы можете провести химический анализ на Марсе. Но необходимость во всем этом внешнем оборудовании действительно ограничивает эту возможность."
Моттер, Кейс и их сотрудники наконец разработали микрофлюидную сеть, в которой все последовательности смешивания предварительно запрограммированы. В их конструкции один источник приложенного давления – вместо специального оборудования – контролирует жидкости в сети.
Спроектировав необходимое давление и место его приложения, исследователи заранее определили, как жидкость течет через сеть.
Команда также увеличила скорость потока жидкости, удалив один из волосовидных каналов в системе.
Кейс сравнивает это с парадоксом Брэсса, известным математическим наблюдением о том, что удаление дороги из транспортной сети может улучшить транспортный поток.
«В этих сетях потоки текучей среды из нескольких соединенных труб», – сказал Кейс. "Жидкости сталкиваются друг с другом на стыке, и эти столкновения создают неэффективность, поэтому соединения в сети создают локальные области скопления. Когда вы удаляете каналы, которые создают эти соединения, вы также удаляете точки столкновения."