Cuando los laboratorios médicos analizan muestras de sangre en busca de signos de enfermedad, a veces utilizan instrumentos que se basan en una tecnología llamada microfluídica digital. La técnica utiliza señales eléctricas para extraer pequeñas gotas de la muestra a través de una superficie para poder analizarlas.

Un inconveniente del proceso es que las señales eléctricas tienden a dañar la superficie sobre la que viajan las gotas, lo que puede hacer que el dispositivo falle inesperadamente o se deteriore con el tiempo.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por ingenieros y científicos de UCLA ha demostrado que los dispositivos de microfluidos digitales podrían ser mucho más duraderos si utilizan las señales eléctricas para empujar, en lugar de tirar, las gotas sobre la superficie.

Se publicó un artículo sobre el trabajo en Naturaleza . El avance podría conducir a herramientas analíticas más poderosas y confiables para laboratorios bioquímicos y monitoreo ambiental. También podría mejorar la durabilidad de las lentes de base líquida que se utilizan en dispositivos como lectores de códigos de barras y cámaras dentales. Esas lentes pueden ajustar rápidamente su enfoque porque contienen una gota clara que ajusta rápidamente su forma en respuesta a las señales eléctricas.

La tecnología de microfluidos digitales se ha estudiado durante casi dos décadas; apareció por primera vez en lentes comerciales hace unos 10 años y en instrumentos de diagnóstico más recientemente. Hasta la fecha, los dispositivos han utilizado repelente al agua, o hidrofóbico, superficies, que hacen que el agua se forme, similar a cómo se comporta en una sartén antiadherente para cocinar.

En superficies hidrofóbicas, la aplicación de voltaje eléctrico a un extremo de una gota hace que ese extremo sea atraído hacia la superficie y se aplana, un fenómeno llamado electrohumectación. Eso ocurre porque el agua puede conducir electricidad, y una gota es lo suficientemente pequeña como para que su tensión superficial la mantenga unida como una unidad. Ese, combinado con el hecho de que el otro extremo de la gota todavía es repelido por la superficie, hace que toda la gota se mueva hacia el extremo aplanado, de hecho, "tira" del líquido hacia donde se aplica voltaje eléctrico.

Sin embargo, la mayoría de los materiales son hidrófilos:cuando se colocan gotas de agua sobre ellos, naturalmente se aplanan, por lo que los dispositivos de microfluidos digitales utilizan superficies que están recubiertas con una fina capa hidrófoba. Pero esos recubrimientos son propensos a fallar porque el voltaje puede hacer que se degraden o agrieten.

Para solucionar ese problema, investigadores dirigidos por Chang-Jin "CJ" Kim, el Profesor Volgenau de Ingeniería en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA, se propuso hacer que las gotas se movieran sobre una superficie sin un recubrimiento hidrofóbico.

"Si uno pudiera empujar una gota de líquido desde su parte trasera, en lugar de tirar de él desde el frente, la superficie no necesitaría ser hidrofóbica, " él dijo.

El problema, Kim dijo, fue que una señal eléctrica solo se puede usar para atraer una gota hacia donde se aplica el voltaje; no se puede usar para alejar una gota.

La solución de los investigadores fue agregar una pequeña cantidad de surfactante cargado eléctricamente al líquido. (Un surfactante es una sustancia cuyas moléculas repelen el agua en un extremo y la atraen en el otro; el jabón es un ejemplo). Usando la carga, los ingenieros podrían usar señales eléctricas para mover el surfactante dentro de la gota.

"Utilizando solo señales eléctricas, podemos atraer las moléculas de tensioactivo dentro de la gota a una superficie hidrófila para convertir cualquier parte de la misma en hidrófoba, "dijo Kim, quien también es miembro del California NanoSystems Institute en UCLA.

Llamaron al proceso electrodehumectación, un nombre que eligieron para enfatizar que es lo opuesto a la técnica de electrodeposición estándar.

La aplicación de voltaje a un extremo de la gota en una superficie hidrófila hizo que las moléculas de tensioactivo cargadas se apiñaran allí, que a su vez empujó la gota hacia arriba desde la superficie y luego hacia adelante, lejos de donde se aplica la electricidad. Ese, en efecto, hizo que la gota pudiera gotear en un extremo, y moverse por la superficie sin necesidad de una capa de acabado especial.

Al invertir la dirección del voltaje, los investigadores también podrían atraer las moléculas de tensioactivo lejos de la superficie, haciendo que la gota vuelva a su estado original, forma aplanada. El mecanismo de electrodehumectación utiliza menos de 5 voltios, tan solo el 2% del voltaje utilizado en las tecnologías actuales.

Los investigadores demostraron que el proceso podría usarse para separar gotas individuales de una gota de agua más grande, luego se movió, divididos y fusionados de nuevo, las cuatro operaciones básicas en microfluídica digital.

Probaron el método con agua, así como con varios disolventes y soluciones tampón que se utilizan comúnmente en química y biología. También repitieron el mojado y deshumedecimiento de una gota de agua 10, 000 veces durante seis horas. En cada experimento, la electrodehumectación fue exitosa:no hubo fallas, y la superficie del dispositivo no mostraba signos de degradación, incluso cuando se utilizaron tensiones y corrientes mucho más altas.