Neste esquema, as linhas onduladas representam uma simulação de computador do fluxo de fluido através de um único canal microfluídico. O fluido flui em torno de obstáculos, mostrado aqui como pilares cilíndricos azuis. O fluxo em torno desses obstáculos cria vórtices, mostrado como manchas semelhantes a redemoinhos. Esses vórtices geram efeitos no fluxo que permitem que os fluidos sejam redirecionados e trocados dentro de redes microfluídicas maiores. Crédito:Northwestern University
Os sistemas microfluídicos têm o poder de revolucionar a medicina, energia, eletrônica e até mesmo exploração espacial. Mas o tamanho do equipamento externo necessário para controlar esses dispositivos do tamanho de um quarto limitou seu uso em portáteis, tecnologias vestíveis.
Agora, os pesquisadores da Northwestern University estão levando a microfluídica para mais perto de seu verdadeiro potencial.
Em um estudo recente, os pesquisadores descobriram como pré-programar as estruturas de rede dos dispositivos de forma a controlar como os fluidos fluem e se misturam nas microtubas. O resultado? Um passo em direção a sistemas microfluídicos projetados de maneira inteligente que se comportam como um chip de computador sem depender de componentes externos.
"A tecnologia microfluídica atual muitas vezes requer um desktop cheio de equipamentos para operar algo do tamanho de um quarto, "disse Adilson Motter da Northwestern, autor sênior do estudo. "Pegamos o controle fornecido por sistemas externos e o incorporamos à estrutura do dispositivo."
O estudo foi publicado hoje (23 de outubro) na revista Natureza . Motter é o professor de física Charles E. e Emma H. Morrison do Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern. Daniel Case, um estudante de graduação no laboratório de Motter, é o primeiro autor do artigo. A equipe da Northwestern trabalhou com colaboradores na St. Louis University e na University of Normandy, na França.
Os sistemas microfluídicos são laboratórios químicos miniaturizados formados por uma rede de tubos - cada um dos quais tem a largura de um fio de cabelo. Esses dispositivos podem ser usados para aplicações que vão desde a realização de experimentos em pequena escala para a realização de diagnósticos médicos complexos, entrega de medicamentos e monitoramento de saúde
O problema é que, para realizar testes e experimentos complicados, vários fluidos precisam fluir, misturar, reagir, separar e mudar de direção dentro dessas pequenas redes. Cada atividade requer uma bomba de pressão, e cada bomba é controlada por um dispositivo externo. Os pesquisadores têm lutado nas últimas décadas, tentando - e muitas vezes falhando - persuadir os fluidos a se moverem por essas redes de forma autônoma, sem precisar de equipamento externo.
"Imagine ser capaz de embalar dispositivos e colocá-los em rovers espaciais, - disse Case. - Você poderia fazer uma análise química em Marte. Mas o fardo de precisar de todo esse equipamento externo realmente restringe essa possibilidade. "
Motter, Case e seus colaboradores finalmente projetaram uma rede microfluídica na qual todas as sequências de mixagem são pré-programadas. Em seu design, uma fonte de pressão aplicada - em vez de equipamento dedicado - controla os fluidos dentro da rede. Ao projetar quanta pressão é necessária e o local onde a pressão é aplicada, os pesquisadores pré-determinaram como o fluido fluía pela rede.
A equipe também aumentou a taxa de fluxo do fluido removendo um dos canais semelhantes a fios de cabelo no sistema. Case compara isso ao paradoxo de Braess, uma famosa observação matemática de que remover uma estrada de uma rede de tráfego pode melhorar o fluxo do tráfego.
“Nessas redes, você tem fluxos de fluidos de vários tubos que estão conectados, "Case disse." Os fluidos colidem uns com os outros na junção, e essas colisões criam ineficiências, portanto, as conexões na rede introduzem regiões localizadas de congestionamento. Quando você remove os canais que criam essas conexões, você também remove pontos de colisão. "
