I sistemi microfluidici hanno il potere di rivoluzionare la medicina, energia, elettronica e persino l'esplorazione dello spazio. Ma la vastità delle apparecchiature esterne necessarie per controllare questi dispositivi di dimensioni un quarto ne ha limitato l'uso in dispositivi portatili, tecnologie indossabili.

Ora i ricercatori della Northwestern University stanno spingendo la microfluidica più vicino al raggiungimento del suo vero potenziale.

In un recente studio, i ricercatori hanno scoperto come programmare in anticipo le strutture di rete dei dispositivi in ​​modo da controllare il flusso e la miscelazione dei fluidi nei microtubi. Il risultato? Un passo avanti verso sistemi microfluidici progettati in modo intelligente che si comportano come un chip di computer senza fare affidamento su componenti esterni.

"L'attuale tecnologia microfluidica spesso richiede un desktop pieno di apparecchiature per far funzionare qualcosa delle dimensioni di un quarto, " ha detto Adilson Motter della Northwestern, autore senior dello studio. "Abbiamo preso il controllo fornito da sistemi esterni e l'abbiamo integrato nella struttura del dispositivo".

Lo studio è stato pubblicato oggi (23 ottobre) sulla rivista Natura . Motter è il professore di fisica Charles E. ed Emma H. ​​Morrison al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Daniele Caso, uno studente laureato nel laboratorio di Motter, è il primo autore dell'articolo. Il team della Northwestern ha lavorato con i collaboratori dell'Università di St. Louis e dell'Università della Normandia in Francia.

I sistemi microfluidici sono laboratori chimici miniaturizzati formati da una rete di tubi, ciascuno dei quali è largo quanto una ciocca di capelli. Questi dispositivi possono essere utilizzati per applicazioni che vanno dalla conduzione di esperimenti su piccola scala all'esecuzione di diagnostica medica complessa, consegna di farmaci e monitoraggio della salute

Il problema è che, per eseguire test ed esperimenti complicati, è necessario che più fluidi scorrano, mescolare, reagire, separare e cambiare direzione all'interno di queste minuscole reti. Ogni attività richiede una pompa a pressione, e ogni pompa è controllata da un dispositivo esterno. I ricercatori hanno lottato negli ultimi decenni, cercando, e spesso fallendo, di convincere i fluidi a muoversi autonomamente attraverso queste reti, senza bisogno di apparecchiature esterne.

"Immagina di poter imballare dispositivi e metterli su rover spaziali, " disse Case. "Potresti eseguire analisi chimiche su Marte. Ma l'onere di aver bisogno di tutta questa attrezzatura esterna limita davvero questa possibilità".

Motto, Case e i loro collaboratori hanno finalmente progettato una rete microfluidica in cui tutte le sequenze di miscelazione sono preprogrammate. Nel loro disegno, una fonte di pressione applicata, invece di apparecchiature dedicate, controlla i fluidi all'interno della rete. Progettando quanta pressione è necessaria e la posizione in cui viene applicata la pressione, i ricercatori hanno predeterminato come il fluido scorreva attraverso la rete.

Il team ha anche aumentato la portata del fluido rimuovendo uno dei canali simili a peli nel sistema. Case lo paragona al paradosso di Braess, una famosa osservazione matematica che la rimozione di una strada da una rete di traffico può migliorare il flusso del traffico.

"In queste reti, hai flussi di fluidi da più tubi collegati, "Case ha detto. "I fluidi si scontrano tra loro all'incrocio, e queste collisioni creano inefficienze, così le connessioni nella rete introducono regioni di congestione localizzate. Quando rimuovi i canali che creano queste connessioni, rimuovi anche i punti di collisione."