Mikrofluidistiikka

Mikrofluidistiikka on mikroskooppisten neste- ja kaasuvirtausten hallintaa käsittelevä tieteen ja tekniikan ala. Mikrosysteemitekniikka on laajempi käsite, joka sisältää myös mikrofluidistiikan. 
Mikrofluidistiset sirut valmistetaan mikroteknologian keinoin pii-, lasi- tai polymeerikiekoille.
Tyypilliset tilavuudet ovat nano- ja pikolitroja, ja virtausnopeudet nano- ja mikrolitroja minuutissa. Mikrofluidistiikassa rakenteiden tyypillinen koko on kymmeniä mikrometrejä. Makromaailmaan verrattuna mikromaailmassa eri ilmiöt ovat tärkeitä, muun muassa pintajännitys ja kapillaarivoimat ovat vahvoja, kun taas painovoiman vaikutus voidaan jättää huomiotta (jolloin sirut toimivat esimerkiksi yhtä hyvin ylösalaisin asennettuina). Lähes kaikki virtaukset mikromaailmassa ovat laminaarisia, mikä tarkoittaa hallittuja virtauskenttiä, mutta toisaalta sekoittumisen hitautta. Toisaalta diffuusio on nopeaa, sillä etäisyydet ovat pieniä.

Historia

Varhaisimmat mikrofluidistiset komponentit 1960-luvulla liittyivät ydintekniikkaan: uraanin diffuusioerotus,
EMP-kestävät nesteillä toteutetut logiikkapiirit ja radioaktiivisten aineiden nopeat analyysit.
1970-luvulla Stanfordin yliopistossa Steven Terry valmisti väitöskirjassaan piikiekolle kaasukromatografin,
jossa yhdistyivät injektio, erotuskanavat ja terminen detektori. Suomalainen Niilo Kaartinen kehitti
1980-luvulla mikroelektrotermofluidistiikaksi (METF) kutsuttua tekniikkaa, jossa kylmäblokkiin kytketty fluidipiiri
jäätyi, ja jäätynyt neste toimi itse itsensä venttiilinä, joka voitiin avata lämmittämällä halutusta kohdasta kanavistoa.
Laajempaa mielenkiintoa mikrofluidistiikka synnytti vasta 1990-luvun alussa Andreas Manzin tutkimusryhmän julkaistua kapillaarielektroforeesisirut lasikiekolla. Ensimmäinen mikrofluidistiikan erikoiskonferenssi MicroTAS pidettiin
1994 Enschedessä, Hollannissa. Katso MicroTAS konferenssi.

Tieteet mikrofluidistiikan taustalla

Mikrofluidistiikka on vahvasti poikkitieteellistä. Mikroteknologian valmistusmenetelmiä (optinen litografia, printtaus, etsaus (valmistustekniikka), bondaus) käyttäen tehdään siruille kanavistoja, suodattamia, venttiilejä, pumppuja, suuttimia ja muita mikrorakenteita. Pintaominaisuuksia, muun muassa hydrofiilisyyttä tai -fobisuutta, säädetään monilla kemiallisilla märkäkäsittelyillä (esimerkiksi NaOH huuhtelu, Teflon-spray), ohutkalvojen ja molekyylikerroskalvojen (SAM, self-assembled monolayers) kasvatuksella tai plasmakäsittelyillä (esimerkiksi happiplasmaoksidoinnilla). Fysiikka ja virtausmekaniikka käsittelevät fluidien virtaus-, diffuusio-, ja lämmönsiirto-ominaisuuksia. Kolloidikemia käsittelee pienten (alle 100 nm) partikkeleiden ja pintojen vuorovaikutuksia. Kemiaa ja biologiaa tarvitaan lukuisissa sovelluksissa, sillä monet ilmiöt riippuvat herkästi olosuhteita, muun muassa pintojen sähköinen varautuminen on pH- ja lämpötilariippuvaa, samoin kuin proteiinien denaturaatio.

Sovellukset

Mikrofluidistiikalla on suuri joukko sovellusalueita:
-kemiallinen analyysi (kapillaarielektroforeesi, kromatografia, massaspektrometria)
-kemiallinen synteesi (mikroreaktorit ja kombinatoriaalinen kemia)
-tietotekniikka (mustesuihkutulostus, elektroninen paperi, nestelogiikka)
-lääketiede ja biotekniikka (DNA PCR, biomolekyylien erotus ja tunnistus; solujen trapping, muokkaus ja analyysi)
-energia (polttoainesuuttimet, mikrogeneraattorit, mikropolttokennot)