Les systèmes microfluidiques ont le pouvoir de révolutionner la médecine, énergie, l'électronique et même l'exploration spatiale. Mais la taille même de l'équipement externe requis pour contrôler ces appareils de la taille d'un quart a limité leur utilisation dans les portables, technologies portables.

Aujourd'hui, les chercheurs de la Northwestern University poussent la microfluidique vers son véritable potentiel.

Dans une étude récente, les chercheurs ont découvert comment préprogrammer les structures de réseau des appareils de manière à contrôler la façon dont les fluides s'écoulent et se mélangent dans les microtubes. Le résultat? Une étape vers des systèmes microfluidiques intelligemment conçus qui se comportent comme une puce informatique sans dépendre de composants externes.

"La technologie microfluidique actuelle nécessite souvent un ordinateur de bureau rempli d'équipements pour faire fonctionner quelque chose de la taille d'un quart, " a déclaré Adilson Motter de Northwestern, auteur principal de l'étude. "Nous avons pris le contrôle fourni par les systèmes externes et l'avons intégré à la structure de l'appareil."

L'étude a été publiée aujourd'hui (23 octobre) dans la revue La nature . Motter est professeur de physique Charles E. et Emma H. ​​Morrison au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Cas Daniel, un étudiant diplômé du laboratoire de Motter, est le premier auteur de l'article. L'équipe Northwestern a travaillé avec des collaborateurs de l'Université Saint-Louis et de l'Université de Normandie en France.

Les systèmes microfluidiques sont des laboratoires chimiques miniaturisés formés d'un réseau de tuyaux, chacun ayant la largeur d'une mèche de cheveux. Ces appareils peuvent être utilisés pour des applications allant de la réalisation d'expériences à petite échelle à la réalisation de diagnostics médicaux complexes, livraison de médicaments et surveillance de la santé

Le problème est que, pour effectuer des tests et des expériences complexes, plusieurs fluides doivent s'écouler, mélanger, réagir, séparez et changez de direction au sein de ces petits réseaux. Chaque activité nécessite une pompe à pression, et chaque pompe est contrôlée par un dispositif externe. Les chercheurs ont lutté au cours des dernières décennies, essayant - et souvent échouant - d'amener les fluides à se déplacer de manière autonome dans ces réseaux, sans avoir besoin d'équipement externe.

"Imaginez pouvoir emballer des appareils et les mettre sur des rovers spatiaux, " Case dit. " Vous pourriez faire une analyse chimique sur Mars. Mais le fardeau d'avoir besoin de tout cet équipement externe limite vraiment cette possibilité."

Motter, Case et leurs collaborateurs ont finalement conçu un réseau microfluidique dans lequel toutes les séquences de mélange sont préprogrammées. Dans leur conception, une source de pression appliquée, au lieu d'un équipement dédié, contrôle les fluides au sein du réseau. En concevant combien de pression est nécessaire et l'emplacement où la pression est appliquée, les chercheurs ont déterminé à l'avance comment le fluide circulait dans le réseau.

L'équipe a également augmenté le débit du fluide en supprimant l'un des canaux ressemblant à des cheveux dans le système. Case compare cela au paradoxe de Braess, une observation mathématique célèbre selon laquelle la suppression d'une route d'un réseau de circulation peut améliorer la fluidité du trafic.

« Dans ces réseaux, vous avez des flux de fluide provenant de plusieurs tuyaux connectés, " dit Case. " Les fluides entrent en collision les uns avec les autres à la jonction, et ces collisions créent des inefficacités, ainsi, les connexions dans le réseau introduisent des régions localisées de congestion. Lorsque vous supprimez les canaux qui créent ces connexions, vous supprimez également les points de collision."