Depuis les années 1990, les scientifiques ont exploré les possibilités de "laboratoires" chimiques miniaturisés sur une puce, qui ont un potentiel en tant que diagnostics au point de service, kits d'analyse pour la recherche sur le terrain et même la réalisation d'essais chimiques sur d'autres planètes.

Dans un laboratoire normal, les chimistes utilisent des béchers pour mélanger les produits chimiques et étudier les réactions. Dans un laboratoire miniaturisé, Les systèmes microfluidiques peuvent mener des expériences chimiques sur une puce à travers une série de petits tubes connectés de la taille d'un cheveu.

Cette technologie est actuellement utilisée, notamment dans le domaine médical, qui crée des organes sur puce pour la recherche. Cependant, le potentiel de la technologie n'a pas été pleinement atteint car les réactions chimiques sont contrôlées par de gros équipements souvent externes à la puce.

Dans une étude récente publiée dans La nature , des chercheurs de l'Université de Saint Louis et des collègues de l'Université Northwestern et de l'Université de Normandie ont partagé leur découverte d'un moyen de programmer des contrôles intégrés dans un réseau microfluidique.

"Nous nous sommes inspirés de l'électronique, dans lequel les commandes d'une puce sont autonomes, " dit Istvan Kiss, Doctorat., professeur de chimie à l'université de Saint Louis. « Lorsque nous avons commencé les recherches dans ce domaine, nous avons dit 'Pourquoi ne construisons-nous pas de tout petits réacteurs, sous-millimétrique. Nous n'avons utilisé qu'un petit nombre de réacteurs, donc diriger le flux était facile avec simple, petits tubes. Mais maintenant, faire progresser la technologie, nous avons besoin que la puce soit un peu plus compliquée, avec de nombreux réacteurs et tubes entre les deux, pour fonctionner plus comme un circuit."

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont combiné la théorie des réseaux et la mécanique des fluides et ont créé des commandes fonctionnant entièrement sur la puce.

Avec Yifan Liu, Doctorat., assistant de recherche diplômé à SLU et autres collègues, Kiss a conçu un réseau avec une relation non linéaire entre la pression appliquée et le débit, qui peut être utilisé pour changer la direction de l'écoulement du liquide simplement en changeant la pression d'entrée et de sortie.

S'inspirant d'une théorie contre-intuitive sur les modèles de trafic, les scientifiques ont découvert que les raccourcis ne sont pas toujours le chemin le plus rapide d'un point A à un point B. Un phénomène connu sous le nom de paradoxe de Braess a démontré - dans les schémas de circulation, électronique, ressorts - que le fait d'avoir parfois plus de voies à parcourir ralentit en fait la circulation plutôt qu'elle ne l'accélère.

"Nous avons construit un réseau qui montre ce paradoxe, " Dit Kiss. ​​" Alors que nous étudiions comment les molécules d'eau contournent les obstacles, il a créé une "valve". Les molécules d'eau sont détournées de leur chemin. A faible débit, ils vont vers les obstacles, tandis qu'à des débits élevés, ils vont dans le sens inverse."

"Lorsque nous fermons un canal de raccourci, il en résulte une plus haute, plutôt qu'inférieur, débit total. Nous nous intéressons à la façon dont de tels changements de débits et de directions finiront par changer les réactions chimiques dans les réacteurs. »

Cette technologie pourrait être utilisée pour créer des systèmes de test de laboratoire portables ainsi que pour concevoir de nouvelles applications, tels que les dispositifs portables de surveillance de la santé ou les systèmes spatiaux déployables.