Mikrofluidiska system har förmågan att revolutionera medicinen, energi, elektronik och till och med utforskning av rymden. Men den stora storleken på den externa utrustningen som krävs för att styra dessa kvartstora enheter har begränsat deras användning i bärbara, bärbar teknik.

Nu driver Northwestern University forskare mikrofluidik närmare sin verkliga potential.

I en färsk studie, forskarna upptäckte hur man förprogrammerar enheternas nätverksstrukturer på ett sätt som styr hur vätskor flyter och blandas genom mikropiporna. Resultatet? Ett steg mot smart utformade mikrofluidsystem som beter sig som ett datorkrets utan att förlita sig på externa komponenter.

"Nuvarande mikrofluidteknik kräver ofta ett skrivbord fullt av utrustning för att driva något i storleken på en fjärdedel, "sade Northwestern Adilson Motter, senior författare till studien. "Vi tog kontrollen som tillhandahålls av externa system och byggde in den i enhetens struktur."

Studien publicerades idag (23 oktober) i tidningen Natur . Motter är Charles E. och Emma H. ​​Morrison professor i fysik vid Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences. Daniel Case, en doktorand i Motters labb, är tidningens första författare. Northwestern -teamet arbetade med kollaboratörer vid St. Louis University och University of Normandy i Frankrike.

Mikrofluidsystem är miniatyriserade kemiska laboratorier som bildas av ett nätverk av rör - var och en är bredden på en hårstrå. Dessa enheter kan användas för applikationer som sträcker sig från att genomföra småskaliga experiment till att utföra komplex medicinsk diagnostik, läkemedelsleverans och hälsoövervakning

Problemet är att - för att utföra komplicerade tester och experiment - måste flera vätskor rinna, blanda, reagera, separera och växla riktningar alla inom dessa små nätverk. Varje aktivitet kräver en tryckpump, och varje pump styrs av en extern enhet. Forskare har kämpat under de senaste decennierna, försöker - och ofta misslyckas - att locka vätskor att självt flytta genom dessa nätverk, utan att behöva extern utrustning.

"Tänk dig att kunna packa ihop enheter och sätta dem på space rovers, "Case sa." Du kan köra kemisk analys på Mars. Men bördan att behöva all denna externa utrustning begränsar verkligen den möjligheten. "

Motter, Case och deras medarbetare utformade slutligen ett mikrofluidiskt nätverk där alla blandningssekvenser är förprogrammerade. I sin design, en källa för applicerat tryck - istället för dedikerad utrustning - styr vätskorna i nätverket. Genom att utforma hur mycket tryck som behövs och platsen där tryck appliceras, forskarna bestämde på förhand hur vätskan flödade genom nätverket.

Teamet ökade också vätskans flödeshastighet genom att ta bort en av de hårliknande kanalerna i systemet. Case liknar detta med Braess paradox, en berömd matematisk observation om att borttagning av en väg från ett trafiknät kan förbättra trafikflödet.

"I dessa nätverk, du har vätskeflöden från flera rör som är anslutna, "Case sa." Vätskor kolliderar med varandra vid korsningen, och dessa kollisioner skapar ineffektivitet, så anslutningar i nätverket introducerar lokaliserade trängselregioner. När du tar bort kanalerna som skapar dessa anslutningar, du tar också bort kollisionspunkter. "