Dagli anni '90, gli scienziati hanno esplorato le possibilità di "laboratori" chimici miniaturizzati su un chip, che hanno potenziale come diagnostica point-of-care, kit di analisi per la ricerca sul campo e un giorno anche per condurre test chimici su altri pianeti.

In un normale laboratorio, i chimici usano i becher per mescolare sostanze chimiche e studiare le reazioni. In un laboratorio miniaturizzato, i sistemi microfluidici possono condurre esperimenti chimici su un chip attraverso una serie di piccoli tubi collegati delle dimensioni di un capello.

Questa tecnologia è attualmente in uso, soprattutto in campo medico, che crea organi su un chip per la ricerca. Però, il potenziale della tecnologia non è stato pienamente raggiunto perché le reazioni chimiche sono controllate da grandi apparecchiature spesso esterne al chip.

In un recente studio pubblicato su Natura , i ricercatori della Saint Louis University insieme ai colleghi della Northwestern University e della Normandie Universite hanno condiviso la loro scoperta di un modo per programmare controlli integrati in una rete microfluidica.

"Ci siamo ispirati all'elettronica, in cui i controlli di un chip sono autonomi, " disse Istvan Kiss, dottorato di ricerca, professore di chimica alla Saint Louis University. "Quando abbiamo iniziato la ricerca in questo campo, abbiamo detto 'Perché non costruiamo piccoli reattori, sub-millimetrico. Abbiamo usato solo un piccolo numero di reattori, quindi dirigere il flusso è stato facile con semplici, tubicini minuscoli. Ma ora, per far progredire la tecnologia, abbiamo bisogno che il chip sia un po' più complicato, con molti reattori e tubi in mezzo, per funzionare più come un circuito."

Risolvere questo problema, i ricercatori hanno combinato la teoria delle reti e la meccanica dei fluidi e hanno creato controlli operati interamente sul chip.

Insieme a Yifan Liu, dottorato di ricerca, assistente di ricerca laureato presso SLU e altri colleghi, Kiss ha progettato una rete con una relazione non lineare tra la pressione applicata e la portata, che può essere utilizzato per cambiare la direzione del flusso del liquido semplicemente modificando la pressione di ingresso e di uscita.

Prendendo spunto da una teoria controintuitiva sui modelli di traffico, gli scienziati hanno scoperto che le scorciatoie non sono sempre il modo più veloce dal punto A al punto B. Un fenomeno noto come paradosso di Braess ha dimostrato, nei modelli di traffico, elettronica, primavere, che a volte avere più percorsi da percorrere in realtà rallenta il traffico piuttosto che accelerarlo.

"Abbiamo costruito una rete che mostra quel paradosso, " disse Kiss. ​​"Mentre studiavamo come le molecole d'acqua aggirano gli ostacoli, ha creato una "valvola". Le molecole d'acqua vengono deviate dai loro percorsi. A basse portate, vanno verso gli ostacoli, mentre ad alte portate, vanno nella direzione opposta".

"Quando chiudiamo un canale di scelta rapida, si traduce in una maggiore, piuttosto che inferiore, portata totale. Siamo interessati a come tali cambiamenti nelle portate e nelle direzioni alla fine cambieranno le reazioni chimiche nei reattori".

Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per creare sistemi di test di laboratorio portatili e per progettare nuove applicazioni, come dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute o sistemi spaziali dispiegabili.