Физики из Университета Твенте (Нидерланды) нашли технологию измерения рекордно низких величин расхода жидкости.

Очень слабые потоки жидкости создаются в экспериментах с так называемыми лабораториями на чипе — приборами, реализующими один или несколько многостадийных биохимических процессов на миниатюрной пластине. Предполагается, что эти системы в полевых условиях будут выполнять исследования, которые сейчас проводятся на дорогостоящем стационарном оборудовании.

Отличительная черта лабораторий на чипе — их способность работать с объёмами растворов, измеряемыми, быть может, единицами и долями пиколитров. Для наблюдения за движением малого количества жидкости традиционно применяют флюоресцирующие молекулы, смещения которых отслеживаются с помощью микроскопа. Эти оптические методики вполне надёжны, но с самóй идеей лаборатории на чипе громоздкий микроскоп сочетается плохо.

Схема канала, по которому проходит жидкость с выделенными красным электрохимически активными молекулами (иллюстрация авторов работы).

Неудобный оптический способ регистрации нидерландские учёные попробовали заменить электрическим. Жидкость в их экспериментах перемещалась в канале шириной в 5 мкм и глубиной в 130 нм, проделанном в кремниевой пластине. Подготовленный раствор на водной основе содержал электрохимически активные молекулы, и при подаче напряжения на металлические электроды, размещённые на противоположных стенках, эти молекулы организовывали непрерывный перенос электронов от отрицательного электрода к положительному. Каждая из них может совершать тысячи «рейсов» в секунду, создавая ток силой в несколько фемтоамперов.

В прошлом году этот эффект был использован для обнаружения отдельных электрохимически активных молекул, а сейчас физиков из Твенте заинтересовало сравнение показаний двух пар электродов, разнесённых в пространстве. Из общих соображений следует, что количество молекул, попадающих в «просматриваемый» одной парой микроскопический объём жидкости (10 фемтолитров), со временем меняется случайным образом, а вместе с ним варьируется измеряемый ток. Такие изменения и дают возможность наблюдать за движением жидкости: экспериментатору нужно лишь отслеживать флуктуации показаний первой пары электродов — увеличение или уменьшение тока — и определять момент появления аналогичных колебаний тока на второй паре. Если эта задача решена, то количество жидкости, протекающей в канале за единицу времени, вычислить будет несложно.

У описанной методики есть свои ограничения, связанные с тем, что переносимые в канале флуктуации локальной плотности молекул недолговечны, и жидкость должна успевать передать их от одной пары электродов к другой. И всё-таки минимальный измеримый расход жидкости, определённый по результатам опытов, оказался рекордно низким и составил менее 10 пиколитров в минуту. Легко рассчитать, что передача одной 30-микролитровой капли воды по каналу в таких условиях растянулась бы более чем на пять лет.