Технологию 3D-печати микрофлюидных чипов для синтеза наночастиц благородных металлов и компьютерный алгоритм подбора параметров реакции в реальном времени разработала междисциплинарная команда Международного исследовательского института интеллектуальных материалов (МИИ ИМ) Южного федерального университета (ЮФУ), 29 ноября сообщает пресс-служба университета.

Микрофлюидика как технология манипулирования с различными целями микродозами жидкостей начала развиваться сравнительно недавно, но в настоящее время она уже широко применяется в медицине, фармацевтике, химической промышленности и ряде других областей.

Одним из достоинств микрофлюидных технологий является возможность точно контролировать условия реакции и быстро смешивать растворы, значительно сокращая тем самым время синтеза — с нескольких часов до нескольких минут или даже секунд.

МИИ ИМ ЮФУ активно развивает микрофлюидику в России. В том числе в рамках проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики под управлением искусственного интеллекта».

Специалисты ЮФУ разработали технологию создания на 3D-принтере уникальных микрофлюидных чипов, в которых по узким микронного размера каналам движутся крошечные капли жидкости, что позволяет манипулировать минимальными объемами реактивов. Системы на таких чипах позволяют ученым создавать новые материалы для промышленности.

3D-печать в настоящее время позволяет формировать сложную геометрию каналов микрофлюидных устройств. Однако использование фотополимерной смолы при 3D-печати может привести к тому, что при работе таких устройств будет происходить притягивание ионов металла к стенкам каналов.

Эту проблему решает новая технология 3D-печати микрофлюидных чипов для синтеза наночастиц благородных металлов и компьютерный алгоритм подбора параметров реакции в реальном времени, разработанные в МИИ ИМ ЮФУ совместно с Институтом математики, механики и компьютерных наук ЮФУ и ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.

Эта технология одновременно с предотвращением осаждения металлов на стенках канала решает проблему скрининга формирования наночастиц в реальном времени. Инженер-исследователь лаборатории «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» МИИ ИМ ЮФУ Сергей Чапек пояснил:

«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».

Для решения проблемы дозирования реагентов разрабатываются автоматизированные проточные системы. При этом микрофлюидные системы позволяют получать данные о результатах синтеза во много раз быстрее, чем при традиционных методах синтеза, отметил Сергей Чапек.

Использование разработанных командой алгоритмов машинного обучения для подбора в реальном времени параметров микрофлюидных процессов синтеза позволило еще более повысить эффективность таких систем, что было подтверждено экспериментально. Кроме того, для лучшей оптической и рентгеновской диагностики разработчики обеспечили создание капель специальной, более удобной формы.

Исследования показали, что созданная в ЮФУ технология перспективна, позволяет создавать сложные устройства для синтеза наночастиц за короткое время за счет быстрого непрерывного скрининга процессов и, как указал ученый, в настоящее время она не имеет аналогов.

Результаты проделанной работы, выполненной под руководством научного руководителя направления ЮФУ «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования» профессора Александра Солдатова, были представлены в статье «Микрофлюидная система, выполненная 3D-печатью, для диагностики in situ и скрининга параметров синтеза наночастиц», опубликованной в журнале Micro and Nano Engineering.

«Мы активно развиваем идею применения автоматизированных микрофлюидных систем, полученных методом 3D-печати, и осуществления экспериментов под управлением искусственного интеллекта, — сообщил Сергей Чапек. — 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».

Он сообщил также, что это их исследование, кроме того, стимулирует интерес к 3D-печатной микрофлюидике и компьютерным алгоритмам управления, что способствует развитию новых методов синтеза материалов и созданию инновационных систем.