Quando i laboratori medici analizzano i campioni di sangue alla ricerca di segni di malattia, a volte usano strumenti che si basano su una tecnologia chiamata microfluidica digitale. La tecnica utilizza segnali elettrici per trascinare minuscole goccioline del campione su una superficie in modo che possano essere analizzate.

Uno svantaggio del processo è che i segnali elettrici tendono a danneggiare la superficie su cui viaggiano le goccioline, che possono causare il guasto imprevisto del dispositivo o il deterioramento nel tempo.

Ora, un team di ricerca guidato da ingegneri e scienziati dell'UCLA ha dimostrato che i dispositivi microfluidici digitali potrebbero essere resi molto più durevoli se utilizzano i segnali elettrici per spingere, invece di tirare, le gocce sulla superficie.

Un articolo sul lavoro è stato pubblicato in Natura . Il progresso potrebbe portare a strumenti analitici più potenti e affidabili per i laboratori biochimici e il monitoraggio ambientale. Potrebbe anche migliorare la durata delle lenti a base liquida utilizzate in dispositivi come lettori di codici a barre e fotocamere dentali. Queste lenti possono regolare rapidamente la messa a fuoco perché contengono una goccia chiara che regola rapidamente la sua forma in risposta ai segnali elettrici.

La tecnologia microfluidica digitale è stata studiata per quasi due decenni; è apparso per la prima volta nelle lenti commerciali circa 10 anni fa e negli strumenti diagnostici più recentemente. Ad oggi, i dispositivi hanno utilizzato idrorepellenti, o idrofobico, superfici, che causano la formazione di gocce d'acqua, in modo simile a come si comporta su una padella antiaderente.

Su superfici idrofobiche, l'applicazione di tensione elettrica a un'estremità di una goccia di perline fa sì che l'estremità venga attratta verso la superficie e si appiattisca, un fenomeno chiamato elettrobagnatura. Ciò si verifica perché l'acqua può condurre elettricità, e una goccia è abbastanza piccola che la sua tensione superficiale la tiene insieme come un'unità. Quella, combinato con il fatto che l'altra estremità della gocciolina è ancora respinta dalla superficie, fa sì che l'intera goccia si muova verso l'estremità appiattita, in effetti "tirando" il liquido verso il punto in cui viene applicata la tensione elettrica.

Però, la maggior parte dei materiali sono idrofili:quando vengono posizionate gocce d'acqua su di essi, si appiattiscono naturalmente, quindi i dispositivi microfluidici digitali utilizzano superfici rivestite con un sottile strato idrofobo. Ma quei rivestimenti tendono a guastarsi perché la tensione può farli degradare o rompersi.

Per risolvere quel problema, ricercatori guidati da Chang-Jin "CJ" Kim, il Volgenau Professor of Engineering presso la UCLA Samueli School of Engineering, ha lo scopo di far muovere le goccioline su una superficie senza un rivestimento idrofobo.

"Se si potesse spingere una goccia di liquido dal suo retro, piuttosto che tirarlo dalla sua parte anteriore, la superficie non dovrebbe essere idrofoba, " Egli ha detto.

Il problema, Kim ha detto, era che un segnale elettrico può essere utilizzato solo per tirare una goccia verso il punto in cui viene applicata la tensione, non può essere utilizzato per spingere via una goccia.

La soluzione dei ricercatori è stata quella di aggiungere al liquido una piccola quantità di tensioattivo caricato elettricamente. (Un tensioattivo è una sostanza le cui molecole respingono l'acqua da una parte e la attraggono dall'altra:il sapone ne è un esempio.) Usando la carica, gli ingegneri potrebbero utilizzare segnali elettrici per spostare il tensioattivo all'interno della gocciolina.

"Utilizzando solo segnali elettrici, possiamo attrarre le molecole di tensioattivo all'interno della gocciolina su una superficie idrofila per convertire qualsiasi sua porzione in idrofoba, " ha detto Kim, che è anche membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA.

Hanno chiamato il processo di bagnatura dell'elettrodo, un nome che hanno scelto per sottolineare che è l'opposto della tecnica di elettroumidificazione standard.

Applicando tensione a un'estremità della gocciolina su una superficie idrofila, le molecole di tensioattivo cariche si accalcavano lì, che a sua volta ha spinto la goccia dalla superficie e poi in avanti, lontano da dove viene applicata l'elettricità. Quella, in effetti, ha reso la gocciolina in grado di gocciolare su un'estremità, e si spostano sulla superficie senza la necessità di una finitura speciale.

Invertendo la direzione della tensione, i ricercatori potrebbero anche attirare le molecole di tensioattivo lontano dalla superficie, facendo tornare la gocciolina al suo originale, forma appiattita. Il meccanismo di bagnatura dell'elettrodo utilizza meno di 5 volt, appena il 2% della tensione utilizzata nelle tecnologie attuali.

I ricercatori hanno dimostrato che il processo potrebbe essere utilizzato per separare le singole goccioline da una goccia d'acqua più grande, poi spostato in giro, suddivise e fuse di nuovo insieme:le quattro operazioni fondamentali della microfluidica digitale.

Hanno testato l'approccio con acqua e diversi solventi e soluzioni tampone comunemente usati in chimica e biologia. Hanno anche ripetuto la bagnatura e la deumidificazione di una goccia d'acqua 10, 000 volte in sei ore. In ogni esperimento, la bagnatura dell'elettrodo ha avuto successo:non ci sono stati guasti, e la superficie del dispositivo non ha mostrato alcun segno di degrado, anche quando si utilizzavano tensioni e correnti molto più elevate.