Sedan 1990 -talet har forskare har undersökt möjligheterna för miniatyriserade kemiska "laboratorier" på ett chip, som har potential som vårddiagnostik, analyssatser för fältforskning och någon gång till och med genomföra kemiska tester på andra planeter.

I ett vanligt labb, kemister använder bägare för att blanda kemikalier och studera reaktioner. I ett miniatyriserat laboratorium, mikrofluidiska system kan utföra kemiska experiment på ett chip genom en serie små anslutna rör på ett hårstrå.

Denna teknik används för närvarande, framför allt inom det medicinska området, som skapar organ-på-ett chip för forskning. Dock, teknikens potential har inte fullt ut uppnåtts eftersom de kemiska reaktionerna styrs av stor utrustning som ofta ligger utanför chipet.

I en ny studie publicerad i Natur , forskare från Saint Louis University tillsammans med kollegor från Northwestern University och Normandie Universite delade sin upptäckt av ett sätt att programmera inbyggda kontroller i ett mikrofluidiskt nätverk.

"Vi tog vår inspiration från elektronik, där ett chips kontroller är fristående, sa Istvan Kiss, Ph.D., professor i kemi vid Saint Louis University. "När vi startade forskningen inom detta område, vi sa 'Varför bygger vi inte små reaktorer, sub-millimeter stora. Vi använde bara ett litet antal reaktorer, så att styra flödet var enkelt med enkel, små rör. Men nu, för att främja tekniken, vi behöver chipet vara lite mer komplicerat, med många reaktorer och rör emellan, att fungera mer som en krets. "

För att lösa det här problemet, forskare kombinerade nätverksteori och vätskemekanik och skapade kontroller som drivs helt på chipet.

Tillsammans med Yifan Liu, Ph.D., forskarassistent vid SLU och andra kollegor, Kiss utformade ett nätverk med ett olinjärt förhållande mellan applicerat tryck och flödeshastighet, som kan användas för att byta vätskeflödesriktning helt enkelt genom att ändra ingångs- och utgångstrycket.

Ta en ledtråd från en kontraintuitiv teori om trafikmönster, forskarna fann att genvägar inte alltid är det snabbaste sättet från punkt A till punkt B. Ett fenomen som kallas Braess paradox har visat - i trafikmönster, elektronik, fjädrar - att ibland att ha fler vägar att resa faktiskt saktar ner trafiken snarare än påskyndar den.

"Vi har byggt ett nätverk som visar den paradoxen, "Kiss sa." När vi studerade hur vattenmolekyler går runt hinder, det skapade en "ventil". Vattenmolekyler avleds från deras vägar. Vid låga flödeshastigheter, de går mot hindren, vid höga flödeshastigheter, de går tvärtom. "

"När vi stänger en genvägskanal, det resulterar i en högre, snarare än lägre, total flödeshastighet. Vi är intresserade av hur sådana förändringar i flödeshastigheter och riktningar så småningom kommer att förändra de kemiska reaktionerna i reaktorerna. "

Denna teknik kan användas för att skapa bärbara labbtestsystem samt för att designa nya applikationer, till exempel hälsoövervakningskläder eller distribuerbara rymdsystem.