Pe baza naturii, oamenii de știință au arătat o modalitate prin care structurile microscopice, asemănătoare părului, ar putea mișca lichidul prin canale minuscule într-un „laborator pe un cip” – în esență un laborator de biologie miniaturizat gravat într-un dispozitiv de dimensiunea aproximativă a unui cip de computer.
Dezvoltarea microlaboratoarelor este un domeniu de cercetare în plină dezvoltare, iar una dintre provocările principale este controlul fluxului de fluide la scara minusculă a micrometrelor. În aceste cipuri, volume mici de sânge sau alte fluide biologice sunt mutate între camerele în care sunt efectuate teste automate. Versiunile mai mici ale pompelor care funcționează în lumea la scară umană ar fi inutile în aceste cipuri, deoarece în această lume microscopică chiar și apa acționează groasă și vâscoasă, ca mierea.
„A înota la această scară este ca înotul într-o piscină cu sirop”, spune Patrick Onck, care cercetează micromecanica materialelor la Universitatea din Groningen din Olanda. Mișcările care ar propulsa fluidul în lumea macroscopică ar mișca fluidul din apropiere înainte și înapoi în aceste canale la microscală.
Titluri Știri științifice, în căsuța dvs. de e-mail
Titluri și rezumate ale celor mai recente articole Știri științifice, livrate în căsuța dvs. de e-mail în fiecare joi.
multumim pentru inregistrare!
A apărut o problemă la înregistrarea dvs.
Mai multe grupuri de cercetare au încercat să folosească câmpuri magnetice vibrante pentru a conduce „părul” microscopic, sintetic, impregnat cu particule magnetice, într-o mișcare ritmică, care va propulsa fluidele. Acum, Onck și colegii din România și Țările de Jos au analizat cifrele, elaborând matematica care descrie interacțiunile complexe dintre câmpul magnetic, structurile flexibile asemănătoare părului și fluidul înconjurător. Rezultatele lor, postate online pe arxiv.org și transmise la Jurnalul de Mecanica și Fizica Solidelor, arată că schema ar trebui să funcționeze. De asemenea, cercetătorii reduc problema complexă de fizică la câteva linii directoare simple pe care inginerii le pot folosi pentru a proiecta astfel de sisteme.
Bacteriile și alte organisme unicelulare au rezolvat această problemă de mișcare a fluidelor cu mult timp în urmă, fie prin rotirea flagelilor în formă de tirbușon, fie prin biciuirea cililor ca părul înainte și înapoi. Deoarece mișcarea cililor este asimetrică – cilii sunt mai drepti în timpul cursei de putere și mai îndoiți în timpul recuperării – mulți cili care lucrează în mod concertat pot propulsa fluidul din jur. De asemenea, cilii mută fluide la animalele mai mari, cum ar fi oamenii. De exemplu, cilii care căptușesc suprafața internă a plămânilor unei persoane mută mucusul (și praful pe care îl poartă) în sus spre gură. În loc să încerce să inventeze o soluție complet nouă, cercetătorii împrumută soluția naturii.
Alte tehnici, cum ar fi câmpurile electrice puternice, sunt, de asemenea, dezvoltate pentru deplasarea fluidelor în microlaboratoare, dar această tehnică are argumente pro și contra. Câmpurile electrice pot interfera cu fluidele biologice, modificându-le aciditatea prin reacții electrochimice. Câmpurile magnetice care conduc cilii artificiali ar putea fi mai puțin perturbatoare.
„Acesta este încă un domeniu în curs de dezvoltare, așa că nu există o tehnică stabilită care să fi fost dovedită a fi cea mai bună” pentru propulsarea fluidelor la microscală, comentează Orlin Velev, expert în manipularea particulelor microscopice folosind câmpuri electrice la Universitatea de Stat din Carolina de Nord din Raleigh. . „Importanța acestui lucru [work] este că impulsionează dezvoltarea teoretică a acestui domeniu.”
Echipa lui Onck propune să facă cilii din polimeri și să înglobeze firele de păr cu magneți la scară nanometrică. Circuitele electrice mici de pe un cip de siliciu de sub cipul de laborator ar putea servi drept electromagneți pentru a furniza câmpurile magnetice vibrante la scară mică necesare pentru a conduce cilii.
Cercetarea a fost finanțată ca parte a ARTIC, un proiect finanțat de Uniunea Europeană pentru fabricarea de cili artificiali care propulsează fluide. Alte echipe de cercetare care participă la acest proiect lucrează la construirea acestor cili conduși magnetic, spune Onck.