فیزیک‌دانان چینی روشی جدید برای ارسال مقدار کمی از مایع به سربالایی و حول انحناها ابداع کرده‌اند. آن‌ها این کار را با استفاده از ساختارهای بسیار باریک و عروق‌مانند ساخته شده از یک پلیمر بلوری مایع انجام داده‌اند. این ساختارها وقتی در معرض نور قرار می‌گیرند تغییر شکل می‌دهند. به گفته‌ی آن‌ها این فناوری می‌تواند در آزمایشگاه‌های موسوم به آزمایشگاه‌های بر روی تراشه یا در سیستم‌های مکانیکی کوچک فعال‌شدهِ توسط نور استفاده کرد.   

این کار اخیر توسعه‌ی زمینه‌ا‌ی موسوم به میکروسیال‌هاست که شامل مطالعه‌ی رفتار سیالات با حجم‌هایی به کوچکی یک تریلینیوم لیتر است که در طول لوله‌هایی به قطر چند میکرومتر کانال‌زنی می‌شوند. آزمایشگاه‌های بر روی تراشه، بسیاری از این کانال‌ها را بر روی تک‌زیرلایه‌ی کوچکی تجمیع می‌کنند تا نوعی از آزمایش‌هایی را که معمولاً با لوله‌ها و گرم‌کن‌ها و دیگر تجهیزات آزمایشگاهی سنتی انجام می‌شوند بر روی مقیاس کوچک‌تر (و به شکل بالقوه بسیار سریع‌تر) انتقال دهند. این کاربردها شامل تشخیص‌های پزشکی با گستره‌ی وسیع و نظارت بر گازهای جوی هستند.

عملیات میکروسیالی اغلب با استفاده از مبدل‌هایی (همچون پمپ‌ها٬ شیرها یا الکترودها) اجرا می‌شوند که در تماس مستقیم با سیال قرار دارند. با این حال بر اساس کاری که دیمین بایجل (Damien Baigl) از École Normale Supérieure در پاریس انجام داده‌، استفاده از چنان مبدل‌هایی مستلزم ساخت قطعات پیچیده٬ گران‌قیمت و آسیب‌پذیر است و می‌تواند موجب محدودیت در برخی کاربردها شود. وی خاطر نشان می‌کند که از طرف دیگر نور می‌تواند انرژی را بدون تماس مستقیم به سیالات برساند. نور همچنین می‌تواند در محدوده‌ی گسترده‌ای از طول‌موج‌ها و سطح‌های توانی، وضوح فضایی و زمانی عالی فراهم کند و زیست‌سازگار نیز هست.

نیروهای مویینگی

با این وجود بکارگیری ویژگی‌های جذاب نور در یک قطعه‌ی عملی یک چالش محسوب می‌شود. یک انتخاب آن است که مستقیماً از نیروی نور (یا از طول فشار تابشی یا با استفاده از چیزی که انبرک‌های اپتیکی نامیده شده و برای بدام انداختن ذرات جامد کوچک در یک سیال بکار می‌رود) استفاده شود اما این کار مستلزم استفاده از پرتوهای لیزری قدرتمند است. یک رهیافت جایگزین استفاده از  نیروهای مویینگی است که بواسطه‌ی چسبندگی سیالات به دیگر مولکول‌ها بوجود می‌آید. این نیروها معمولاً زمانی مشاهده می‌شوند که یک مایع در درون یک لوله‌ی باریک در خلاف جهت گرانش به سمت بالا حرکت کند.

این رهیافت آخر توسط یانلی یو (Yanlei Yu ) از دانشگاه فودان در شانگهای و همکارانش بکار رفته است. تیم یو از این حقیقت بهره برده‌اند که یک قطره‌ی مایع که در لوله‌ی مخروطی‌شکلی محدود شده است به انتهای باریک‌تر لوله در اثر فشار پایین‌تری که آنجا وجود دارد کشیده خواهد شد. حقه‌ی بکار رفته یافتن ماده‌ای است برای ساخت ساختارهایی که بتواند وقتی در معرض نور قرار می‌گیرد از استوانه به مخروطی تغییر شکل دهد. این پژوهش‌گران بویژه به تعیین یک ساختار بلور مایع نیاز دارند که وقتی چنان تبدیلاتی را تجربه می‌کند، به شکل مکانیکی و نیز شیمیایی تحمل داشته باشد.

آن‌ها موفق شدند. آنان برای انجام اینکار از عروق طبیعی الهام گرفته‌اند که خون را بدور از قلب با استفاده از لایه‌های ماهیچه‌ای و مواد کشسان حمل می‌کنند. این تیم لوله‌های ۵/۰ میلی‌متری ساخته شده از لایه‌های چندگانه از پلیمر بلور مایع ساخته و این لوله‌ها را در معرض نور آبی ساطع شده از یک LED قرار داده‌اند. این نور جهت‌گیری مولکول‌های بلوری مایع را چنان تغییر می‌دهد که اندکی لوله‌ها را منقبض می‌کند. سطح‌مقطع لوله‌ها را از دایروی به بیضی تغییر داده و مساحت سطح مقطع آن‌ها را افزایش می‌دهد. با افزایش تدریجیِ شدت نور در طول لوله‌ها محققان قادر شده‌اند تا لوله‌ها را به مخروط تبدیل کنند.

ساندویچ اسلاگ

با ساندویچ‌کردن «سکه‌ای» از یک سیال بین بخش‌های دیگر در داخل یک لوله و تاباندن لوله این پزوهش‌گران دریافتند چنانکه انتظار می‌رود قادرند تا در طول سکه و در جهت کاهش شدت نور حرکت کنند (این ویدئو را ببینید). آن‌ها این کار را با ترکیبات مختلفی از سیالات شامل روغن سیلیکون بهم آمیخته با هوا یا روغن کلزا بعلاوه‌ی سیالات پیچیده‌تر انجام داده‌اند که در مهندسی زیست‌پزشکی و شیمیایی استفاده می‌شود. این پژوهش‌گران قادر بوده‌اند تا این حقه را در مورد لوله‌های خم‌شده تا ۱۷ درجه برای لوله‌های مارمانند٬ لوله‌های حلزونی و نیز لوله‌های Y شکل تکرار کنند که به دو سکه‌ی روغن سیلیکونی این امکان را می‌دهد تا بهم دیگر جوش بخورند. آنها حتی توانسته‌اند با قرار دادن قطعه‌ای به ضخامت یک میلی‌متر از گوشت خوک بدون چربی مابین منبع نوری و لوله، سکه‌ها را در هم فشرده کنند. به بیان آن‌ها: «این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که لوله‌های ما نوید کاربردهایی را در سیستم‌های میکروسیالی که در بافت‌های زیستی جاسازی شده‌اند خواهد داشت.»

مایلز پاجت (Miles Padgett) از دانشگاه گلاسگو که بر روی انبرک‌های اپتیکی کار می‌کند نیز اطمینان دارد که این کار می‌تواند به کاربردهای مهمی بیانجامد. به گفته‌ی او: «بنابراین اغلب آزمایشگاه‌های بر روی تراشه به دنبال تراشه‌های شبیه‌تر در بسیاری از آزمایشگاه‌های بزرگ‌تر هستند. بنابراین جایگذاری پمپ‌های خارجی با منابع نوری که خودشان بتوانند مجتمع شده و محرک‌های کافی برای ترکیب مایعات باهمدیگر را فراهم کند گامی مهم به سوی جلو است.»

بیگ با این استدلال که این کار «جعبه ابزار اپتیکی موجود را به حد بسیار زیادی در این زمینه گسترش می‌دهد»، این پژوهش را همچون «یک مفهوم کاملاً جدید» در میکروسیالات پیشران نوری توصیف می‌کند. به بیان وی چالش کنونی «نشان دادن این است که کاربردهای میکروسیالِ جهان واقعی با این روش و استفاده از نور بجای پمپ‌ها قابل دسترسی خواهند بود.»

این پژوهش در مجله‌ی نیچر به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

ادوین کارتلیج (Edwin Cartlidge) نویسنده‌ای علمی از رُم است.

منبع:

Light pushes liquid uphill