Podczas gdy obecnie w nauce niepodzielnie rządzi przedrostek „nano“ wydawało by się ze rzeczy „mikro“ są skazane na zapomnienie. Zaprzeczeniem tego jest jednak rzeczona w tytule mikrofluidyka lub inaczej technologie mikrocieczowe. Jest to interdyscyplinarna dziedzina nauki i technologii zajmującą się wykorzystaniem płynów o niewielkiej objętości (najczęściej są to krople o wymiarach rzędu mikrometrow co pozwala na wytworzenie tak pożądanego przedrostka nano w opisie objętości). Początek technik mikrocieczowych datuje na lata 80 a rozkwit na 90 XX wieku. Mimo tego ze jest to bardzo młodą dziedzina nauki i techniki prawie każdy zetknął się z jej praktycznym wykorzystaniem: głowice domowych drukarek atramentowych to układy mikrofluidyczne. Wiele innych zastosowań jest w trakcie przejścia pomiędzy badaniami aplikacyjnymi a powszechnym zastosowaniem (dużo artykułów na ten temat ma bardzo zdrowe przesłanie: „hej, zobacz co można z tym zrobić, jeśli jesteś inwestorem to było by milo jakbyś skontaktował się z nami“).
Jednym z podstawowych obiektów zainteresowania mikrofluidyki są mikrokroplę (najczęściej wody, roztworów wodnych). Jak stworzyć mikrokroplę? (W najprostszym przykładzie). Najpierw potrzebujemy mikroczipu (patrz rysunek 1) tzn. systemu kanałów oraz komór zbudowanych wewnątrz płytek polimerowych (poliweglanowe lub z PDMS’u. Materiał dobrany ze względu na łatwość produkcji oraz cenę chociaż można tez stworzyć np. mikroczip szklany). Następnie niezależnie wpuszczamy do systemu dwie niemieszające się ciecze np. olej oraz wodę. Ciecze te spotykają się na styku wpadających do siebie prostopadłych kanałów (tzw. T-junction) – tworząc krople jednej cieczy w drugiej (fazę o większym przepływie w której zanurzone są krople nazywamy faza nośną, mikrokrople to faza rozproszona). Jednak aby doprowadzić do stworzenia takich mikrokropel potrzeba jeszcze kilku urządzeń- zbiorniczków substancji, pomp i zaworów. Co począć z takimi mikrokroplami? Teraz zaczyna się prawdziwa zabawa. Otóż takie mikrokrople można ze sobą mieszać- i np. w jednej będą bakterie a w drugiej potencjalne leki. Gdy umiemy tworzyć krople odpowiedniej wielkości możemy sterować stężeniem poszczególnych substancji w mieszance. Ponieważ takie krople można tworzyć z dużą częstotliwością a ich objętość jest niewielka nie trzeba się martwic tak bardzo o czas i koszty przeprowadzenia kilku tysięcy reakcji.
Rysunek 1. Prosty Mikrochip (źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Microfluidics)
Fizyka a mikroprzepływy- no i wydawało by się ze nic nowatorskiego nie da się odkryć na pooziomie fizyki. Ot, kropelki w rurach (może trochę mniejszych niż kanalizacyjne). Niestety zjawiska przepływów stanowią dla nas jeszcze wielka niewiadoma [taką samą jak czarna dziura albo kobieca psychika]- istnieją jedynie bardzo uproszczone modele przepływu naszpikowane danymi empirycznymi. Większość z nich jednak dotyczy „dużych“ kanałów: oddziaływania elektryczne są tam pomijane, zjawiska powierzchniowe nie są znaczne, rozważa się tylko jedna substancje w przewodzie itd., każdy kolejny składnik którego nie można pominąć jeszcze bardziej utrudnia (i urozmaica) prace fizykom. Ponieważ takie badania podstawowe są prowadzone równolegle do badan aplikacyjnych znacznie ułatwia to znalezienie na nie funduszy (co jest bardzo pozytywne bowiem na dłuższą metę badania podstawowe są niezbędne do badan aplikacyjnych).
Technologia a mikroprzepływy- do funkcjonowania mikroukladu niezbędne są duże ilości urządzeń „peryferyjnych“ będących domena mechnaików, elektroników i informatyków. Muszą one spełniać szereg wymagań: tanie, precyzyjne a najlepiej mikrowielkości. Najlepszym przykładem jest tu „prosty“ zawór do tworzenia mikrokropli. Po pierwsze musi się otwierać i zamykać w czasie ułamków sekund, ponieważ od jego pracy zależy dokładność działania mikroczipa musi to robić w sposób super powtarzalny (elektrozawory dla makroukładow mogą dawać różnice dozowanych płynów mierzona w mikrolitrach, dla mikroukładu jest to nie do pomyślenia a bardzo ciężko jest „obejść“ zjawiska na taka różnicę wpływające m.in. nagrzewanie się zaworu, bezwładność elektryczna). Po drugie do jego kontrolowania najlepiej żeby sam układ był miniaturowy- co powoduje kolejne trudności bo wymaga miniaturowego źródła zasilania i sterowania. Rysunek 2 najlepiej oddaje obecny stan funkcjonowania technologi mikrocieczowych- niewielki układ (po lewej stronie pod mikroskopem) oraz cała gama niezbędnych dodatków.
Chemia i biologia a mikroprzepływy- nauki chemiczne i biologiczne są odbiorcami mikrofluidyki. Coraz większą ilość eksperymentów wymaga potężnej ilości reakcji np. badania genomu, badania przesiewowe w poszukiwaniu substancji aktywnych, badania środowiskowe, testowanie różnych warunków reakcji do celów optymalizacji produkcji. Użycie niewielkich ilości substancji jest bardzo korzystne gdy jest to droga substancja (np. znaczona promieniotwórczymi izotopami) lub toksyczna. Najlepiej gdyby urządzenia mikrofluidyczne do przeprowadzania takich badan były dostępne komercyjnie, a żeby do tego doszło należy najpierw pokazać ich zalety (od 2001 roku istnieje pismo „Lab On chip“)
Literatura:
Kirby, B.J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press.
Podręcznik do teorii mikrofluidyki.
http://www.youtube.com/watch?v=JvDZh8hmR84&feature=related
Film pokazujący przykładowe zastosowanie mikrofluidyki
Spoko artykuł. Przydał mi się na egzamin inżynierski, gdyż miałem tam pytanie o mikrofuidykę ;-)
OdpowiedzUsuń