Desde a década de 1990, os cientistas têm explorado as possibilidades de "laboratórios" químicos miniaturizados em um chip, que têm potencial como diagnóstico de ponto de atendimento, kits de análise para pesquisa de campo e, algum dia, até mesmo testes químicos em outros planetas.

Em um laboratório normal, químicos usam béqueres para misturar produtos químicos e estudar reações. Em um laboratório miniaturizado, os sistemas microfluídicos podem conduzir experimentos químicos em um chip por meio de uma série de pequenos tubos conectados do tamanho de um fio de cabelo.

Esta tecnologia está em uso atualmente, mais notavelmente na área médica, que cria órgãos em um chip para pesquisa. Contudo, o potencial da tecnologia não foi totalmente alcançado porque as reações químicas são controladas por grandes equipamentos que geralmente são externos ao chip.

Em um estudo recente publicado em Natureza , pesquisadores da Saint Louis University, juntamente com colegas da Northwestern University e da Normandie Universite, compartilharam sua descoberta de uma maneira de programar controles integrados em uma rede microfluídica.

"Nós nos inspiramos na eletrônica, em que os controles de um chip são independentes, "disse Istvan Kiss, Ph.D., professor de química na Saint Louis University. “Quando começamos a pesquisa neste campo, dissemos 'Por que não construímos reatores minúsculos, tamanho submilímetro. Usamos apenas um pequeno número de reatores, então direcionar o fluxo foi fácil com o simples, tubos minúsculos. Mas agora, para avançar a tecnologia, precisamos que o chip seja um pouco mais complicado, com muitos reatores e tubos entre eles, para operar mais como um circuito. "

Para resolver este problema, os pesquisadores combinaram a teoria da rede e a mecânica dos fluidos e criaram controles operados inteiramente no chip.

Junto com Yifan Liu, Ph.D., assistente de pesquisa de pós-graduação na SLU e outros colegas, Kiss projetou uma rede com uma relação não linear entre a pressão aplicada e a taxa de fluxo, que pode ser usado para mudar a direção do fluxo de líquido simplesmente mudando a pressão de entrada e saída.

Pegando uma sugestão de uma teoria contra-intuitiva sobre os padrões de tráfego, os cientistas descobriram que os atalhos nem sempre são o caminho mais rápido do ponto A ao ponto B. Um fenômeno conhecido como paradoxo de Braess demonstrou - nos padrões de tráfego, eletrônicos, molas - que às vezes ter mais caminhos para viajar na verdade retarda o tráfego em vez de acelerá-lo.

"Construímos uma rede que mostra esse paradoxo, "Kiss disse." Enquanto estudávamos como as moléculas de água contornam os obstáculos, ele criou uma 'válvula'. As moléculas de água são desviadas de seus caminhos. Em baixas taxas de fluxo, eles vão em direção aos obstáculos, enquanto em altas taxas de fluxo, eles vão na direção oposta. "

"Quando fechamos um canal de atalho, resulta em um maior, ao invés de inferior, taxa de fluxo total. Estamos interessados ​​em como essas mudanças nas taxas de fluxo e direções irão eventualmente alterar as reações químicas nos reatores. "

Esta tecnologia pode ser usada para criar sistemas de teste de laboratório portáteis, bem como para projetar novos aplicativos, como wearables de monitoramento de integridade ou sistemas espaciais implantáveis.