Collective self-sorting on a chip

Sorteren is een fundamentele daad van organisatie, het proces waarbij een chaotische bende van verschillende dingen zijn plek vindt. In de stille wereld van de natuurkunde, waar systemen in rust zijn, gebeurt deze organisatie meestal omdat de componenten zich settelen in de laagste energietoestand, zoals stenen die naar de bodem van een vijver zinken. Maar de wereld is zelden stil. In systemen die constant in beweging zijn en energie verbruiken — wat wetenschappers actieve materie noemen — veranderen de regels. Hier wachten deeltjes niet op een zachte duw van warmte om te bewegen; ze voortbewegen zichzelf. Wanneer deze zelfsturende deeltjes mengen met andere die anders bewegen, kunnen ze spontaan scheiden, niet omdat ze moe zijn, maar omdat hun eigen beweging hen uit elkaar duwt. Dit fenomeen biedt een nieuwe manier om microscopische objecten te sorteren zonder externe zeven of complexe machines, waarbij wordt vertrouwd op het eigen gedrag van de deeltjes om het werk te doen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit Leiden heeft dit principe nu omgezet in een werkend apparaat, een microfluïdische chip die een mengsel van kleine, zelf voortbewegende deeltjes sorteert door ze simpelweg door een gebogen pad te leiden. De wetenschappers begonnen met een mengsel van twee soorten microscopische rollers, één gemaakt van polystyreen en de andere van een andere kunststof genaamd polymethylmethacrylaat. Wanneer deze in een specifieke vloeistof worden geplaatst en aan een elektrisch veld worden blootgesteld, beginnen deze deeltjes over het oppervlak te rollen, waardoor ze een dichte, kolkende menigte vormen. De onderzoekers ontdekten dat als de twee soorten deeltjes met verschillende snelheden bewegen, ze vanzelf scheiden: de snellere deeltjes migreren naar de buitenrand van de draaikolk, terwijl de langzamere deeltjes zich in het midden verzamelen. Deze scheiding wordt niet bepaald door de grootte van de deeltjes of het materiaal waarvan ze zijn gemaakt; het wordt volledig gedreven door het verschil in hun snelheid. Door het elektrische veld aan te passen, kon het team zelfs de volgorde omdraaien van welk type deeltje sneller was, waardoor het sorteerpatroon onmiddellijk werd omgegooid zodat de nieuwe leider de buitenste ring innam.

Om precies te begrijpen hoe deze scheiding werkt en hoe het nuttig kan worden gemaakt, bouwden de onderzoekers een computermodel dat het gedrag van duizenden van deze deeltjes simuleerde. Ze bevestigden dat het verschil in snelheid alleen al voldoende was om de scheiding aan te drijven, zelfs wanneer de deeltjes verschillende groottes hadden. De simulaties onthulden ook een cruciaal detail over de vorm van de container: de scheiding vindt het meest efficiënt plaats wanneer de deeltjes worden beperkt in een nauwe, gebogen ruimte. Een grote, open cirkel liet de scheiding toe, maar het duurde lang. Een kleinere, nauwere cirkel dwong de deeltjes veel sneller tot reorganisatie. Dit leidde tot een belangrijk ontwerpprincipe: om deeltjes snel en effectief te sorteren, moet men een reeks kleine, gebogen kanalen gebruiken in plaats van één grote kamer.

De onderzoekers vertaalden deze bevindingen vervolgens naar een fysiek apparaat. Ze ontwierpen een chip met een kronkelend, slangachtig kanaal bestaande uit opeenvolgende gebogen secties. Terwijl de gemengde suspensie van deeltjes het apparaat in stroomt, worden de snellere deeltjes naar de buitenwand van elke curve gedrukt, terwijl de langzamere deeltjes naar de binnenwand worden gedrukt. Aan het einde van elke gebogen sectie leidt een klein muurtje de buitenste stroom snelle deeltjes naar één uitgang en de binnenste stroom langzame deeltjes naar een andere uitgang. Het team testte dit ontwerp met echte deeltjes door een gemengde suspensie in de chip te injecteren. Terwijl het mengsel door de tien gebogen eenheden van het apparaat reisde, werd de scheiding met elke bocht duidelijker. Tegen de tijd dat de deeltjes het einde bereikten, waren de twee soorten grotendeels gesorteerd in afzonderlijke stromen, waarbij de snellere deeltjes bij de ene uitgang werden verzameld en de langzamere bij de andere.

Dit werk demonstreert dat het collectieve gedrag van actieve deeltjes kan worden aangewend om een continue, autonome sorteermachine te creëren. Het apparaat vereist geen complexe bewegende delen of externe velden om de componenten te scheiden zodra de stroming is gestart; de geometrie van het kanaal en de eigen beweeglijkheid van de deeltjes doen de rest. De onderzoekers lieten zien dat door de kromming van het pad en de positie van de interne wanden zorgvuldig af te stemmen, zij zowel de zuiverheid van de gescheiden stromen als de hoeveelheid succesvol verzamelde deeltjes konden controleren. Hoewel het apparaat werd getest met een specifiek type zelf voortbewegend deeltje, suggereert het onderliggende principe een nieuwe weg voor het scheiden van microscopische objecten op basis van hoe snel ze bewegen, wat een potentieel instrument biedt voor toekomstige toepassingen in de microfluïdica waar een zachte, continue sortering nodig is.