När medicinska laboratorier analyserar blodprover för tecken på sjukdom, de använder ibland instrument som förlitar sig på en teknik som kallas digital mikrofluidik. Tekniken använder elektriska signaler för att dra små droppar av provet över en yta så att de kan analyseras.

En nackdel med processen är att de elektriska signalerna tenderar att skada ytan som dropparna rör sig över, vilket kan göra att enheten misslyckas oväntat eller försämras med tiden.

Nu, ett forskarlag under ledning av UCLA-ingenjörer och forskare har visat att digitala mikrofluidiska enheter kan göras mycket mer hållbara om de använder de elektriska signalerna för att driva, istället för att dra, dropparna över ytan.

En artikel om arbetet publicerades i Natur . Framsteg kan leda till mer kraftfulla och tillförlitliga analysverktyg för biokemiska laboratorier och miljöövervakning. Det kan också förbättra hållbarheten hos de vätskebaserade linserna som används i enheter som streckkodsläsare och tandvårdskameror. Dessa linser kan snabbt justera sin fokus eftersom de innehåller en tydlig droppe som snabbt justerar sin form som svar på elektriska signaler.

Digital mikrofluidisk teknologi har studerats i nästan två decennier; det dök upp först i kommersiella linser för cirka 10 år sedan och i diagnostiska instrument på senare tid. Hittills, enheterna har använt vattenavvisande, eller hydrofob, ytor, som får vatten att pärla upp - ungefär som det beter sig på en nonstick -stekpanna.

På hydrofoba ytor, applicering av elektrisk spänning på ena änden av en pärlstavad droppe orsakar att änden lockas till ytan och plattas ut - ett fenomen som kallas elektrovätning. Det beror på att vatten kan leda elektricitet, och en droppe är tillräckligt liten för att dess ytspänning ska hålla ihop den som en enhet. Den där, kombinerat med att droppens andra ände fortfarande avvisas av ytan, får hela droppen att röra sig mot den tillplattade änden, i praktiken "drar" vätskan mot där elektrisk spänning appliceras.

Dock, de flesta material är hydrofila - när vattendroppar läggs på dem, de planar ut naturligt – så digitala mikrofluidiska enheter använder ytor som är belagda med ett tunt hydrofobt lager. Men dessa beläggningar är benägna att misslyckas eftersom spänning kan få dem att brytas ned eller spricka.

För att lösa det problemet, forskare under ledning av Chang-Jin "CJ" Kim, Volgenau professor i teknik vid UCLA Samueli School of Engineering, bestämde sig för att få droppar att röra sig på en yta utan hydrofob beläggning.

"Om man kunde trycka en vätskedroppe från dess baksida, istället för att dra den framifrån, ytan behöver inte vara hydrofob, " han sa.

Problemet, Kim sa, var att en elektrisk signal bara kan användas för att dra en droppe dit spänningen appliceras - den kan inte användas för att trycka bort en droppe.

Forskarnas lösning var att tillsätta en liten mängd elektriskt laddat ytaktivt ämne till vätskan. (Ett ytaktivt ämne är ett ämne vars molekyler stöter bort vatten i ena änden och drar till sig det i den andra – tvål är ett exempel.) Med hjälp av laddningen, ingenjörerna kunde använda elektriska signaler för att flytta det ytaktiva ämnet in i droppen.

"Med endast elektriska signaler, vi kan attrahera de ytaktiva molekylerna inuti droppen till en hydrofil yta för att omvandla alla delar av den till att vara hydrofob, sa Kim, som också är medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA.

De kallade processen för elektrovätning – ett namn de valde för att betona att det är motsatsen till standardtekniken för elektrovätning.

Att lägga spänning på ena änden av droppen på en hydrofil yta fick de laddade ytaktiva molekylerna att trängas där, som i sin tur tryckte upp droppen från ytan och sedan framåt, bort från där elektriciteten används. Den där, i själva verket, gjorde att droppen kunde pärla i ena änden, och flytta över ytan utan behov av en speciell topplack.

Genom att vända spänningens riktning, forskarna kunde också locka de ytaktiva molekylerna bort från ytan, får droppen att återgå till originalet, tillplattad form. Elektrodavfuktningsmekanismen använder mindre än 5 volt - så lite som 2% av spänningen som används i nuvarande teknik.

Forskarna visade att processen kunde användas för att separera enskilda droppar från en större droppe vatten, flyttade sedan runt, delades upp och slogs samman igen - de fyra grundläggande operationerna inom digital mikrofluidik.

De testade metoden med vatten samt flera lösningsmedel och buffertlösningar som vanligtvis används inom kemi och biologi. De upprepade också vätning och avvätning av en vattendroppe 10, 000 gånger under sex timmar. I varje experiment, elektroavvätningen var framgångsrik:inga misslyckanden, och enhetens yta visade inga tecken på nedbrytning, även när mycket högre spänningar och strömmar användes.