Микрофлюидика применяется в медицине, фармацевтике, химической промышленности и других областях, позволяя сокращать время синтеза исследуемых материалов с нескольких часов до секунд.

Микрофлюидика, она же микрогидродинамика, ориентирована на управление потоками жидкостей и газов на микроскопическом уровне через микронные каналы и позволяет быстро работать с минимальными объемами реактивов. За последние пять лет развитие микрожидкостного синтеза получило сильный импульс. Это связано с тем, что в традиционных методах синтеза из-за больших объемов сложно контролировать свойства наночастиц и адсорбентов. Микрожидкостные технологии же позволяют точно контролировать условия реакций и быстро перемешивать растворы, что значительно сокращает время синтеза с нескольких часов до нескольких минут и даже секунд, сообщает пресс-служба Южного федерального университета.

Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов ЮФУ развивает проект «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики под управлением искусственного интеллекта». Ученые создают новые материалы для промышленности, используя разработанные в институте и изготовленные на 3D-принтерах микрожидкостные чипы. Современные достижения в области 3D-печати делают сложную геометрию каналов микрожидкостных устройств доступной и настраиваемой, однако есть одна сложность: использование фотополимерной смолы при 3D-печати может приводить к притягиванию ионов металлов к стенкам каналов.

В недавнем исследовании междисциплинарная команда Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, Института математики, механики и компьютерных наук ЮФУ и Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН предложила систему 3D-печати для синтеза наночастиц благородных металлов в связке с компьютерным алгоритмом подбора параметров реакции и диагностики in situ. Это поможет решить проблему отслеживания наночастиц в режиме реального времени и предотвращать осаждение металлов на стенках каналов.

«Точный подбор свойств материала требует множества проб и ошибок в процессе синтеза. При своем образовании наночастицы металлов проходят несколько стадий восстановления, кластеризации, коалесценции и роста. Таким образом, результирующие свойства коллоидного раствора зависят от концентраций реагентов, внешней температуры, протокола синтеза и квалификации исследователя, определяющего воспроизводимость и качество. Автоматизированные проточные системы преодолевают трудности, присущие традиционным методам дозирования. Микрофлюидные системы представляют собой хорошую альтернативу для сбора данных с высокой производительностью в сравнении с традиционными методами синтеза», — рассказал инженер-исследователь лаборатории «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» ЮФУ Сергей Чапек.

Исследование подтвердило эффективность использования алгоритмов машинного обучения для подбора параметров в реальном времени в микрожидкостных процессах синтеза. Кроме того, удалось создать капли специальной формы, удобные для оптической и рентгеновской диагностики традиционными методами. Технология позволяет создавать сложные устройства в краткие сроки и проводить быстрый и непрерывный скрининг процессов.

«Наиболее интересным этапом исследования было создание микрофлюидных устройств, так как это новое направление, требующее особенного внимания к проектированию и тестированию сначала функциональных прототипов, а потом и использование в основном эксперименте. Мы активно развиваем идею применения автоматизированных микрофлюидных систем, полученных методом 3D-печати, и осуществления экспериментов под управлением искусственного интеллекта. Данная статья является одним из первых шагов в развитии отечественной системы и создания нового направления в области 3D-печатной микрофлюидики и компьютерных алгоритмов управления для данных систем», — рассказал Сергей Чапек.

Результаты исследования опубликованы в журнале Micro and Nano Engineering.

Источник