חוקרים ישראלים פיתחו שיטה חדשה להנעת נוזלים בהתקנים מיקרוסקופיים. השיטה החדשה מהווה קפיצת מדרגה טכנולוגית, והיא יכולה להשפיע בצורה משמעותית על תחום טכנולוגיות המיקרוזרימה.

כתבנו בעבר על טכנולוגיית המעבדה-על-שבב [1], אשר צפויה לאפשר ייצור של מעבדות ביולוגיות זעירות על התקנים שמזכירים שבבים אלקטרוניים. מעבדות על שבבים יכולות לנתח דגימות ביולוגיות במהירות וביעילות, לאבחן מחלות וזיהומים מדגימות קטנות, ואף לחקות פעולות של איברים בגוף האדם. בהקבלה לשבבי מחשב, במקרה של מעבדה-על-שבב, במקום זרם חשמלי ישנו נוזל המניע את הדגימות\חלקיקים\בועות\טיפות בתוך ההתקן הזעיר. התחום המדעי שחוקר התנהגות נוזלים בקנה מידה מיקרוסקופי, נקרא "מיקרוזרימה", והוא מהווה תחום מחקר פורה גם מדעית וגם טכנולוגית.

אחת הבעיות המרכזיות בתחום התקני המיקרוזרימה, היא היכולת לשלוט ולהניע נוזלים בקנה מידה כל כך קטן. הדרך הפשוטה ביותר להנעת נוזלים היא על ידי מפל לחץ. אם נייצר לחץ גבוה בקצה אחד של תעלה, ולחץ נמוך בקצה השני, אז הנוזל יזרום במורד מפל הלחץ. שיטה זאת אמנם פשוטה, אך בעלת מגבלות רבות. למשל, צריך לחבר כל תעלה בשבב למשאבה שתייצר את מפל הלחץ, מה שבדרך כלל מוביל למערכות גדולות ומסורבלות. שיטות הנעה נוספות נעזרות באפקטים חשמליים, כאשר הפופולרית בהם נקראת זרימה אלקטרו-אוסמוטית, שעליה נספר כאן.

כאשר מים באים במגע עם משטח כלשהו, למשל זכוכית, תגובה כימית מיידית בין המים לזכוכית, גורמת לכך שפרוטונים מהמשטח מעדיפים לזנק אל תוך המים, ומשאירים את הזכוכית טעונה במטענים שליליים. המטענים השליליים בזכוכית מייצרים שדה חשמלי חזק (סדר גודל של מיליון וולט למטר) אשר גורם ליונים (אטומים או מולקולות טעונות) בנוזל להיצמד למשטח. תהליך זה קורה מאד מהר, באופן כמעט מיידי, ובסופו מתקבלת שכבה של מטענים מנוגדים הנקראת 'השכבה החשמלית הכפולה'. התופעה מתקיימת במגוון רחב של חומרים, ולמעשה קשה מאוד למצוא חומרים אשר במגע עם מים לא יהפכו לטעונים חשמלית.

המטענים השליליים שמקובעים בזכוכית אינם יכולים לנוע. לעומתם, היונים החיוביים המהווים את החלק המשלים בשכבה, נמצאים בנוזל, ולכן אם נפעיל שדה חשמלי בכיוון המקביל לפני המשטח, מטענים אלו ינועו עם כיוון השדה, ודרך כוחות חיכוך (צמיגות) ימשכו אחריהם את שאר הנוזל – בדומה למסוע בשדה התעופה אשר נע ומניע אנשים או מזוודות עליו. מכיוון שהשכבה החשמלית הכפולה בעלת עובי של עשרות ננומטרים בודדים, זרימה אלקטרו-אוסמוטית לא יעילה במערכות גדולות, אך בתעלות מיקרוסקופיות שיטה זאת מהווה תחליף מצויין למפלי לחצים.

הנעת נוזלים על ידי שדות חשמליים היא מאוד מדויקת, ומאפשרת לייצר התקנים הרבה יותר קטנים ומצומצמים, ופחות מסורבלים. למרות כל זאת, יש מגבלה אחת שמשותפת לכל שיטות הנעת הנוזלים הקיימות כיום, והיא טמונה בכך שכל השיטות פותחו לעבודה עם תעלות. בואו נניח כעת שבמקום רק לנוע מנקודה לנקודה במערכת של תעלות, אנו מעוניינים לבצע תהליכים מורכבים יותר על נוזלים המכילים דגימות חשובות, וגם – לשלוט ולשנות את התהליכים האלה בזמן אמת, בדיוק כפי שהיינו עושים במעבדה אמיתית. האם יש דרך כללית יותר שבה נוכל לשלוט בנוזל?

שיתוף פעולה בין צוות חוקרים מהמעבדה לטכנולוגיות מיקרוזרימה בטכניון בראשות פרופ' מורן ברקוביץ', ומרכז המחקר של IBM בציריך בראשות ד"ר גובינד גאיקלה, הוביל לפריצת דרך טכנולוגית אשר עונה על שאלה זאת בדיוק. במאמר חדש [2] שפורסם בכתב העת היוקרתי Proceedings of the National Academy of Sciences, הציגו החוקרים שיטה חדשה לשליטה דו-ממדית במערכות זורמים מיקרוסקופיות. במקום להסתמך על המטען הנוצר ספונטנית בתגובה הכימית, החוקרים משתמשים במערך אלקטרודות ברצפת ההתקן כדי לשלוט מקומית במטען החשמלי ובשכבה החשמלית הכפולה. שליטה מקומית זאת במטען, מאפשרת לחוקרים לייצר מערך של מסועים כאוות נפשם, ובכך לייצר תבניות זרימה דו-מימדיות יפיפיות, כפי שמודגם בסרטון.

בנוסף לזה, החוקרים הדגימו איך ניתן להשתמש בשיטה החדשה כדי לשלוט על כיוונה של זרימה רגילה המונעת על ידי מפל לחץ בתוך מערכת תעלות, ובכך לשמש בתור סוג של מתג, אשר מאפשר לזרם הנושא חלקיקים בתוכו לעבור בין תעלה לתעלה.

מחקר זה, אשר מהווה פריצת דרך טכנולוגית בתחום התקני המיקרוזרימה, נערך בהובלת ד"ר פדריקו פרטורה, והדוקטורנטית וסנה בצ'בה, והוא מהווה דוגמה מצויינת לחשיבותם של שיתופי פעולה בתחומי מחקר מדעיים וטכנולוגיים.

לקריאה נוספת ומקורות:

[1] מעבדה על שבב באתר מדע גדול, בקטנה

[2] קישור למאמר ב PNAS