Desde a década de 1990, os cientistas exploram as possibilidades de “laboratórios” miniaturizados de produtos químicos em um chip, que têm potencial como diagnóstico no ponto de atendimento, kits de análise para pesquisa de campo e, um dia, até mesmo a realização de testes químicos em outros planetas.
Em um laboratório normal, os químicos usam copos para misturar produtos químicos e estudar reações. Em um laboratório miniaturizado, os sistemas microfluídicos podem realizar experimentos químicos em um chip através de uma série de pequenos tubos conectados do tamanho de um cabelo.
Atualmente, essa tecnologia está em uso, principalmente na área médica, que cria um chip de órgãos em um para pesquisa. No entanto, o potencial da tecnologia não foi totalmente atingido porque as reações químicas são controladas por grandes equipamentos que geralmente são externos ao chip.
Em um estudo recente publicado na Nature , pesquisadores da Universidade de Saint Louis, juntamente com colegas da Northwestern University e Normandie Universite, compartilharam sua descoberta de uma maneira de programar controles internos em uma rede microfluídica.
“Nós nos inspiramos na eletrônica, na qual os controles de um chip são independentes”, disse Istvan Kiss, Ph.D., professor de química da Saint Louis University. “Quando começamos a pesquisa neste campo, dissemos: ‘Por que não construímos reatores minúsculos, do tamanho de um milímetro. Usamos apenas um pequeno número de reatores, portanto, era fácil direcionar o fluxo com tubos simples e minúsculos. Mas agora, para avançar na tecnologia, precisamos que o chip seja um pouco mais complicado, com muitos reatores e tubos intermediários, para operar mais como um circuito “.
Para resolver esse problema, os pesquisadores combinaram teoria das redes e mecânica dos fluidos e criaram controles operados inteiramente no chip .
Juntamente com Yifan Liu, Ph.D., assistente de pós-graduação da SLU e outros colegas, Kiss projetou uma rede com uma relação não linear entre a pressão aplicada e a taxa de fluxo , que pode ser usada para mudar a direção do fluxo de líquido simplesmente alterando a pressão de entrada e saída.
Seguindo uma teoria contra-intuitiva sobre padrões de tráfego, os cientistas descobriram que os atalhos nem sempre são o caminho mais rápido do ponto A ao ponto B. Um fenômeno conhecido como paradoxo de Braess demonstrou – em padrões de tráfego, eletrônicos, fontes – que às vezes mais caminhos a percorrer diminuem o tráfego, em vez de o acelerar.
“Criamos uma rede que mostra esse paradoxo”, disse Kiss. “Ao estudarmos como as moléculas de água contornam os obstáculos, ela criou uma ‘válvula’. As moléculas de água são desviadas de seus caminhos. Em vazões baixas, elas vão em direção aos obstáculos, enquanto em vazões altas, elas seguem o caminho oposto “.
“Quando fechamos um canal de atalho, ele resulta em uma taxa de fluxo total mais alta do que em menor. Estamos interessados em como essas mudanças nas taxas de fluxo e direções eventualmente mudarão as reações químicas nos reatores”.
Essa tecnologia pode ser usada para criar sistemas portáteis de teste de laboratório e para projetar novos aplicativos, como dispositivos de monitoramento de saúde ou sistemas espaciais implantáveis.
