Även de minsta mekaniska pumparna har begränsningar, från de komplexa mikrotillverkningstekniker som krävs för att göra dem till det faktum att det finns gränser för hur små de kan vara. Forskare har tillkännagett en potentiell lösning - en laserdriven fotoakustisk mikrofluidpump, kan flytta vätskor i vilken riktning som helst utan rörliga delar eller elektriska kontakter.

Arbetet beskrivs i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Med hjälp av en plasmonisk kvartsplatta implanterad med guldatomer, forskarna visade förmågan att flytta vätskor genom att använda en laser för att generera en ultraljudsvåg.

"Vi kan använda lasern för att få vätskor att röra sig i vilken riktning som helst, sa Jiming Bao, docent i el- och datorteknik vid University of Houston och huvudförfattare på tidningen.

Arbetet är baserat på en ny optofluidikprincip som upptäcktes av Baos labb och rapporterades 2017. Det arbetet förklarade hur en laser kan användas för att utlösa en ström av vätska, koppling av fotoakustik med akustisk streaming.

Det senaste arbetet innebar att tillverka ett kvartssubstrat implanterat med 10 ¹⁶ guld atomer, eller tio tusen biljoner atomer, per kvadratcentimeter och testa om en laserpuls kunde generera en ultraljudsvåg som kan skapa en vätskeström. Kvartsplattan – ungefär lika stor som en fingernagel – implanterades med guld nanopartiklar; när en pulserande laser träffar plattan, guldnanopartiklarna genererar en ultraljudsvåg, som sedan driver vätskan via akustisk strömning.

"Denna nya mikropump är baserad på en nyupptäckt princip för fotoakustisk laserströmning och är helt enkelt gjord av en Au [guld] implanterad plasmonisk kvartsplatta, " skrev forskarna. "Under en pulserande laserexcitering, vilken punkt som helst på plattan kan generera en riktad långvarig ultraljudsvåg som driver vätskan via akustisk strömning."

Arbetet kan få praktiska konsekvenser, från biomedicinsk utrustning och läkemedelsleverans till mikrofluidisk och optofluidisk forskning. Wei-Kan Chu, en fysiker och projektledare vid Texas Center for Superconductivity vid UH, sa att det verkliga värdet ännu inte är känt. "Vi skulle vilja bättre förstå mekanismerna för detta, och det kan öppna upp något bortom vår fantasi."

Enheten tillverkades i Chus labb; han är medförfattare, tillsammans med Nzumbe Epie, Xiaonan Shan och Dong Liu, hela UH; Shuai Yue, Feng Lin och Zhiming Wang från University of Electronic Science and Technology i Kina; Qiuhui Zhang från Henan University of Engineering; och Suchuan Dong från Purdue University.

Nanopartiklarna erbjuder ett nästan obegränsat antal mål för lasern, som kan riktas mycket mer exakt än en mekanisk mikropump, sa Bao.

"Mekanismerna för hur och varför detta fungerar är ännu inte särskilt tydliga, " sade Chu. "Vi måste förstå vetenskapen bättre för att kunna utveckla potentialen för dess oförutsägbara tillämpningar."