شبکه‌ای از «رگه‌ها» کارکرد پمپ‌هایی که از برگ تقلید می‌کنند را ارتقاء می‌بخشد؛ چیزی که کاربردهای نویدبخشی در قطعات میکروسیال خواهد داشت.

قطعات میکروسیال از پمپ‌های کوچکی برای کنترل شارش سیال در مقیاس میکرو استفاده می‌کنند مثلاً در میکروتراشه‌هایی که برای انجام تحلیل‌های حساس شیمیایی یا زیست‌شناختی بکار می‌روند. پژوهش‌گران برای کاهش مصرف انرژی، پمپ‌های منفعلی را توسعه داده‌اند که شبیه گیاهی که آب را از خاک می‌مکد رفتار می‌کنند و اکنون یک تیم پژوهشی نسخه‌ی بسیار کارآمدتری از چنان پمپی را به اثبات رسانده‌اند که از ساختار شاخه‌مانند متناظر با رگه‌های یک برگ استفاده می‌کند. این رهیافت ممکن است کاربردهایی در قطعات الکترونیکی یا کنترل دقیق تحویل داروهای پزشکی بیابد.

در زیرِ سطح بالایی و ضدآب یک برگ، شبکه‌ای از رگه‌ها وجود دارد که آب را از ساقه به تمام برگ توزیع می‌کند. لایه‌ی دیگرِ سلول‌های نزدیکِ برگ، این آب را ذخیره کرده و آب سطح‌زیرین را تامین می‌کند؛ جایی‌که آب می‌تواند از طریق دهانه‌های ویژه‌ای بنام استوماتا تبخیر شود. این تبخیر به طور پیوسته از درون برگ و از طریق عمل مویینگی کشیده می‌شود. بنابراین کل سیستم به عنوان پمپی عمل می‌کند که هیچ انرژی ورودی برای آن لازم نیست.

یک پمپ جدید(پمپ). ساختار شاخه‌ای رگه‌های برگ، شبکه‌ای کارآمد از انتقال آب را فراهم می‌کند. پژوهش‌گران اکنون می‌توانند از طرح‌های مشابه در پمپ‌های سیال مصنوعی که در مقیاس میکرو عمل می‌کنند، بهره بگیرند.

پژوهش‌گران قطعاتی را ساخته‌اند که از عملکرد برگ تقلید کرده و در آن‌ها تبخیر از یک سطح مثل یک پمپِ آب عمل می‌کند. اما آن‌ها در تقلید از ساختار شاخه‌مانند رگه‌هایی که در برگ‌های حقیقی دیده می‌شود با چالش مواجه شده‌اند. این رگه‌ها برای رساندن موثر آب به تمام قسمت‌های سطح برگ مهم و حیاتی به حساب می‌آیند. اکنون تیمی از مهندسان که توسط پراسون کومار (Prasoon Kumar) از موسسه‌ی ملی آموزش و تحقیقات دارویی در هند رهبری شده راهی ارزان و قابل اعتماد یافته‌اند تا ساختاری را با بکارگیری فرآیندی طبیعی معروف به انگشت وشکسان (viscous fingering) بسازند.

کومار و همکارانش ابتدا قطره‌ای از مایع وشکسان را مابین دو صفحه‌ی موازی چنان فشرده کرده‌اند که فضای مابین آن‌ها پر شود. سپس با جداسازی آرام این صفحات و اجازه دادن به هوا برای نفوذ در آن، الگوی شاخه‌داری را ایجاد کرده‌اند که در آن هوا با مایع وشکسان جایگزین می‌شود. آن‌ها از این الگو به عنوان قالبی استفاده کرده و شبکه‌ای ثابت از کانال‌ها را در ویفر نازکی از سیلیکون به ابعاد حدود ۳۰ میلی‌متر ایجاد کرده‌اند. این شبکه‌ی رگه‌ای از کانال‌های کوچک تشکیل شده که به سمت بیرون از یک نقطه‌ی مرکز گسترده شده‌اند؛ متناظر با نقطه‌ای که در آن یک ساقه به برگ متصل می‌شود.

محققان برای تکمیل این ساختار برگ‌مانند، این ویفر را به زیرلایه‌ی کاغذی میکرومتخلخلی که قادر به جذب یا نگه‌داری آب است متصل کرده‌اند. این کاغذ فیلتری نقش سلول‌های نگه‌دارنده‌ی آب را بازی می‌کند که در نزدیکی یک میکروسطحِ برگ قرار دارد و شکاف‌های موجود در کاغذ به عنوان استوماتی که موجب تسهیل عمل تبخیر می‌شود، رفتار می‌کنند.

پژوهش‌گران برای آزمودن کارکرد پمپاژ، ابتدا کاغذ فیلتر را با آب اشباع کرده‌ و لوله‌ای از منبع آب به نقطه‌ی مرکزی شبکه‌ی رگه‌ای وصل کرده‌اند. با قرار دادن این قطعه در معرض هوا، تبخیر از کاغذ فیلتری از طریق شبکه کشیده می‌شود و پژوهش‌گران آهنگ شارش مایع از منبع را اندازه گرفته‌اند. آن‌ها دریافتند که این قطعه تقریباً ده برابر سریع‌تر از یک قطعه‌ی کنترلی که فاقد شبکه‌ی کانالی است پمپاژ می‌کند و بجای آن لوله‌ی منبعی دارد که مستقیماً به کاغذ فیلتری وصل است.

به گفته‌ی لورن کوربین (Laurent Courbin) از دانشگاه رن و مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS): «تازگی این پژوهش در شبکه‌ی فراکتالیِ میکروکانال‌هاست که باعث افزایش سرعت پمپاژ دستگاه می شود. این مشاهده‌ی افزایش در آهنگ شارش با مرتبه‌ای از بزرگی چشمگیر است».

این پژوهش‌گران همچنین کارکرد قطعه‌شان را با پمپ‌های پیشین مقایسه کرده‌اند. به بیان کومار این طرح در دست‌یابی به آهنگ بالاتر در فشارهای بسیار پایین برجسته است اگرچه این مقایسه تنها یک پیشنهاد است، چون قطعات دیگر لزوماً برای آهنگ شارش بالا طراحی نشده‌اند. به گفته‌ی وی، این تیم برای مقایسه‌های دقیق‌تر در آینده طرح‌هایی دارد.

کومار معتقد است که فناوری جدید می‌تواند استفاده‌ی گسترده‌ای در پمپ‌های میکروشاره‌ای داشته باشد که شارش‌های بسیار پایدار تولید می‌کنند و به هیچ منبع قدرت نیازی ندارند. یک کاربرد آن ممکن است در پمپ‌هایی باشد که سیالات با وشکسانی بالا (مثل خون) را از طریق قطعات تشخیصی به پیش می‌رانند. بعلاوه به گفته‌ی وی فناوری‌هایی که برای ساخت پمپ‌های ساده استفاده می‌شود به تجهیزات خاصی نیاز ندارد. به گفته‌ی کومار:«ما تنها از موادی که به راحتی در دسترس‌اند استفاده می‌کنیم و فرآیند ساخت ارزان است. بنابراین حتی آزمایشگاه‌هایی که تعداد کمی منبع دارند، بایستی قادر به استفاده از این میکروپمپ‌ها باشند». وی کاربردهایی در نمونه‌گیری خون و خنک‌کننده‌های الکترونیکی را در یک یا دو سال آینده پیش‌بینی می‌کند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو اپلاید منتشر شده است.

نویسنده:

مارک بوچانان نویسنده‌ی آزاد علمی است که اوقاتش را مابینولز در انگلیس و منطقه نرماندی فرانسه می‌گذراند.

منبع:

Leaf-Like Veins Are Key to Efficient Pump