В Южном федеральном университете создают уникальные микрофлюидные чипы, в которых по узким каналам движутся крошечные капли жидкости. В научном сообществе направление микрофлюидики начало развиваться сравнительно недавно, однако спрос на такие технологии уже колоссальный. Их применяют в медицине, фармацевтике, химической промышленности и других областях.
Многие из нас, услышав о работе современных ученых над микрофлюидными чипами, могли бы представить себе стандартные электронные микросхемы из кремния и метала. Однако микрофлюидика — это совсем другая технология, ориентированная на управление потоками жидкостей и газов на микроскопическом уровне через микронные каналы. Она позволяет быстро работать с минимальными объемами реактивов.
За последние пять лет мировое развитие микрофлюидного синтеза получило сильный импульс. Это связано с тем, что в традиционных методах синтеза, в отличие от микрофлюидики, в больших объемах сложно контролировать свойства наночастиц и адсорбентов. Микрофлюидные технологии же позволяют точно контролировать условия реакции и быстро перемешивать растворы, что значительно сокращает время синтеза с нескольких часов до нескольких минут и даже секунд.
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов ЮФУ активно развивает это направление в России. В том числе в рамках реализации проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики под управлением искусственного интеллекта» федеральной программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»). Здесь ученые создают новые материалы для промышленности, используя уникальные в своем роде микрофлюидные чипы, разработанные в МИИ ИМ методом 3D-печати. Современные достижения в области 3D-печати позволяют делать сложную геометрию каналов микрофлюидных устройств доступными и настраиваемыми. Однако есть одна сложность: использование фотополимерной смолы при 3D-печати может привести к притягиванию ионов металла к стенкам каналов.
В связи с этим в недавнем исследовании междисциплинарная команда МИИ ИМ совместно с Институтом математики, механики и компьютерных наук ЮФУ и ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, в числе которых ведущие исследователи Сергей Чапек, Виктора Шаповалова, Андрей Терещенко, Алексей Булгакова, Антон Баглий, Владимир Волков, Петр Конарев, Михаил Солдатов, Александр Гуда под руководством научного руководителя направления ЮФУ «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования», профессора, члена научного комитета установки «Сибирский кольцевой источник фотонов» Александра Солдатова, предложила систему 3D-печати для синтеза наночастиц благородных металлов в связке с компьютерным алгоритмом подбора параметров реакции и in situ диагностики (диагностика в реальном времени). Это поможет решить проблему скрининга наночастиц в реальном времени и предотвратить осаждение металлов на стенках каналов. Результаты работы опубликованы в журнале «Micro and Nano Engineering».
«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», – отметил инженер-исследователь лаборатории «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» МИИ ИМ ЮФУ Сергей Чапек.
Исследование подтвердило эффективность использования алгоритмов машинного обучения для подбора параметров в реальном времени в микрофлюидных процессах синтеза. Кроме того, они создали капли специальной формы, которые удобны для оптической и рентгеновской диагностики традиционными методами. Данная технология является перспективной, позволяет создавать сложные устройства за короткое время и проводить быстрый и непрерывный скрининг процессов. По словам ученого, на сегодняшний день ей нет аналогов.
«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 3Д печатной микрофлюидики и компьютерных алгоритмов управления для данных систем», – рассказал ученый.
Исследователь также отметил, что данная работа, привлекая внимание в области 3D-печатной микрофлюидики и компьютерных алгоритмов управления, имеет высокий потенциал для развития новых методов синтеза материалов и создания инновационных систем.
Многие из нас, услышав о работе современных ученых над микрофлюидными чипами, могли бы представить себе стандартные электронные микросхемы из кремния и метала. Однако микрофлюидика — это совсем другая технология, ориентированная на управление потоками жидкостей и газов на микроскопическом уровне через микронные каналы. Она позволяет быстро работать с минимальными объемами реактивов.
За последние пять лет мировое развитие микрофлюидного синтеза получило сильный импульс. Это связано с тем, что в традиционных методах синтеза, в отличие от микрофлюидики, в больших объемах сложно контролировать свойства наночастиц и адсорбентов. Микрофлюидные технологии же позволяют точно контролировать условия реакции и быстро перемешивать растворы, что значительно сокращает время синтеза с нескольких часов до нескольких минут и даже секунд.
Международный исследовательский институт интеллектуальных материалов ЮФУ активно развивает это направление в России. В том числе в рамках реализации проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики под управлением искусственного интеллекта» федеральной программы «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»). Здесь ученые создают новые материалы для промышленности, используя уникальные в своем роде микрофлюидные чипы, разработанные в МИИ ИМ методом 3D-печати. Современные достижения в области 3D-печати позволяют делать сложную геометрию каналов микрофлюидных устройств доступными и настраиваемыми. Однако есть одна сложность: использование фотополимерной смолы при 3D-печати может привести к притягиванию ионов металла к стенкам каналов.
В связи с этим в недавнем исследовании междисциплинарная команда МИИ ИМ совместно с Институтом математики, механики и компьютерных наук ЮФУ и ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, в числе которых ведущие исследователи Сергей Чапек, Виктора Шаповалова, Андрей Терещенко, Алексей Булгакова, Антон Баглий, Владимир Волков, Петр Конарев, Михаил Солдатов, Александр Гуда под руководством научного руководителя направления ЮФУ «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования», профессора, члена научного комитета установки «Сибирский кольцевой источник фотонов» Александра Солдатова, предложила систему 3D-печати для синтеза наночастиц благородных металлов в связке с компьютерным алгоритмом подбора параметров реакции и in situ диагностики (диагностика в реальном времени). Это поможет решить проблему скрининга наночастиц в реальном времени и предотвратить осаждение металлов на стенках каналов. Результаты работы опубликованы в журнале «Micro and Nano Engineering».
«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», – отметил инженер-исследователь лаборатории «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» МИИ ИМ ЮФУ Сергей Чапек.
Исследование подтвердило эффективность использования алгоритмов машинного обучения для подбора параметров в реальном времени в микрофлюидных процессах синтеза. Кроме того, они создали капли специальной формы, которые удобны для оптической и рентгеновской диагностики традиционными методами. Данная технология является перспективной, позволяет создавать сложные устройства за короткое время и проводить быстрый и непрерывный скрининг процессов. По словам ученого, на сегодняшний день ей нет аналогов.
«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 3Д печатной микрофлюидики и компьютерных алгоритмов управления для данных систем», – рассказал ученый.
Исследователь также отметил, что данная работа, привлекая внимание в области 3D-печатной микрофлюидики и компьютерных алгоритмов управления, имеет высокий потенциал для развития новых методов синтеза материалов и создания инновационных систем.