Biologen en chemici zouden voor hun experimenten in de toekomst af willen van veiligheidsglaskolven, bunsenbranders en magnetische roerspanen. Chemische reacties moeten in de toekomst het liefst plaatsvinden in micro-fluïdesystemen: kamertjes en kanaaltjes met enkele micrometers doorsnede. Met deze zogenaamde ‘Labs on Chip’ zijn onderzoeken aan DNA of bloed beduidend sneller en efficiënter te analyseren.
Omdat laboranten en onderzoekers met minuscule hoeveelheden vloeistof kunnen gaan werken, is de inzet van ‘Labs on a chip’ goedkoper dan de gebruikelijke procedures, waarbij grotere volumes materiaal nodig zijn.Tenslotte zijn dergelijke analyseapparaten ook gemakkelijk mee te nemen, omdat ze zo weinig plaats innemen. Reddingswerkers kunnen hiermee ter plaatse al bloedproeven doen.
Oude truc
Om dergelijke apparatuur te ontwikkelen, grijpen fysici soms terug op beproefde kunstjes. Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Metalforschung, de Universität Stuttgart en de Colorado School of Mines hebben micromachines geconstrueerd met eenzelfde foefje als de modelbouwer die zijn schip in een fles bouwt. Zoals masten, tuigage en zeilen pas in de fles rechtop komen, zo brengen wetenschappers ventielen, een pomp en het roerwerk van een microlaboratorium pas in een minuscuul apparaat op een chip bij elkaar.
Voor dit doel hebben ze colloïdedeeltjes (kleine kunststof kogeltjes die magnetiseerbaar zijn) in de kanalen van de chip geschoven. Met behulp van een magnetisch veld zijn deze kleine deeltjes samen te voegen tot grotere aggregaten en zo als micromachine in beweging te brengen.
Micro-laboratoria
De onderzoekers hebben daarmee een nieuwe weg gevonden om geminiaturiseerde laboratoria van bewegende deeltjes te voorzien en aan te drijven. Daarvoor sluizen ze de colloïde kogeltjes van 5 µm doorsnede in de kanaaltjes en holle ruimtes op de chip. Omdat deze deeltjes ijzeroxide bevatten, kleven ze onder invloed van een magnetisch veld bij elkaar. Met vier spoelen wordt het magnetisch veld zodanig gevormd, dat de kogeltjes letterlijk op afstand worden bestuurd om een ruit of tandwiel te vormen. De vorm die ze werkelijk aannemen, hangt voor een belangrijk deel af van de aanwezige geometrie van de kanalen. De microkogeltjes behouden hun ingenomen positie zolang het magnetisch veld ingeschakeld blijft.
De geometrie bepaalt ook de functie van het apparaat. Een ruit geeft door heen en weer klappen telkens een doorgang vrij en werkt zodoende als een ventiel. Als de kogels door een kamer wervelen met twee toevoerstromen, dan worden de twee vloeistoffen door elkaar geroerd. Ook deze micro roermachine wordt bewogen door een aangelegd magnetisch veld, dat parallel aan de chip met of tegen de klokrichting in roteert. Op deze manier rollen ze ook een tandwiel door een getand kanaal. Het tandwiel, dat het kanaal volledig afsluit, schuift de vloeistof daarbij de ene of de andere richting op door het kanaal en werkt samen met ventielen zo als pomp.
Baggerschip
Dit ‘baggerschipidee’ heeft enkele voordelen ten opzichte van een andere opzet van een microlab met bewegende delen. Enkele wetenschappers gebruiken bijvoorbeeld pneumatische systemen om vloeistoffen door microkanalen te pompen. Daarvoor moet elk onderdeel apart door een slangetje met de buitenwereld worden verbonden voor de toevoer van perslucht. Dat is behoorlijk prijzig en beperkt het aantal onderdelen op de chip. Met het nieuwe proces zijn tot wel vijfduizend pompen op een vierkante centimeter onder te brengen.
Voor pneumatische pompen heeft men ook elastisch materiaal nodig. Het zou veel eenvoudiger zijn als voor de productie van dergelijke chips maar één soort materiaal nodig is, in dit geval silicium. Omdat ook de stuurcomponenten (de minimagneetspoelen) op siliciumbasis zijn te vervaardigen, zou het ideaal zijn om ook de microkanalen van dit materiaal te produceren. Aldus zijn alle componenten op één chip te integreren – precies zoals dat bij micro-elektronica gebeurt.
Momenteel gebruiken de onderzoekers nog grote spoelen, zodat de onderdelen door slechts één magnetisch veld worden aangedreven en ze allemaal gelijktijdig bewegen. Dit hoeft geen nadeel te zijn omdat processen in veel toepassingen toch parallel verlopen , bijvoorbeeld in de farmaceutische industrie, waarbij tussen vele duizenden stoffen een nieuw middel wordt gezocht. Bovendien kan de kanaalgeometrie zodanig worden gekozen dat verschillende delen met het zelfde magnetische veld toch totaal verschillende functie uitvoeren. De methode van de onderzoekers biedt mogelijkheden om ook met slechts één magnetisch veld een complex netwerk van aparte, onafhankelijke componenten aan te drijven.
