在微流控芯片上造一个美术馆

提到实验室，大家一定都不陌生，不论文科理科生，在学校的时候多多少少去过一两次。实验室里的器材设备琳琅满目，操作方式繁复而严谨，在这个讲究极简美学、流行量子力学的时代，我们似乎可以更大胆的去跳脱传统概念，那么一个实验室可以简单到什么程度呢？

微流控芯片。来源：wiki

如上图所示，宛如蒙德里安的当代艺术一般，几何线条延展在晶莹剔透的玻璃樽中，这就是由微流控技术实现的“芯片上的实验室”。

麻雀虽小，五脏俱全。在几平方厘米的芯片中包含不同功能的通道、泵、阀、混合室、化验区等，通过集成电子微控制器的操控，实验液体在这些区域中穿梭，在微观尺度上精确的混合、反应和分离，过去需要大型设备、特定环境、复杂操作的实验和观察，现在使用微流控芯片就可以极精确、高效率、低污染的完成，广泛应用于临床检验医学、生物化学和分子生物等领域。

按照控制方式来说，微流控芯片可分为被动式和主动式两种。

被动式微流控更多由自然力控制，或者可以说是只有微流没有控，利用液体本身在微管道中发生的毛细现象，在液、固、气三相界面上液面弯曲产生的作用力，使液体产生定向的流动。主要应用于简单的检测项目。

利用被动式微流控技术的验孕棒。来源：wiki

Savahhah Szemethy制作的微流控艺术，两种颜色的液体在微流管道中由自然力牵引流动呈现爱因斯坦肖像。来源：

https://savannahszemethy.wixsite.com/microfluidicart

主动式微流控是更被业内认可的“真正的”微流控，既有微流又有控，即前文提到的，通过芯片内部精密的反应腔与阀门装置，精准控制液体反应。主动式微流控往往是为了满足更加复杂的实验过程要求的，比如分子检测。

微流控芯片。来源：wiki

阿尔伯特·福尔奇（AlbertFolch）是华盛顿大学的生物工程系教授，从事微流控研究工作。他的团队致力于利用数字制造技术（3D打印、激光切割）设计、制作微流控设备。该团队开发了一款微流控设备，通过少量肿瘤活检样本，即可帮助医生筛选最适合患者情况的药物混合体，大大降低了药物测试的成本。

“肿瘤芯片”，每个槽中都含有不同的药物，这些药物被泵送到放置肿瘤样本的中心。来源：Albert Folch

流体在通道为100纳米（nm）-500微米（μm）时，雷诺系数（惯性力与粘性力的比）会变得很小，液体发生层流，几束并行的流体并不会混合。喜好艺术的福尔奇教授在实验过程中注意到了这种在宏观世界很少见的景象，灵感迸发，遂将这些景象用摄影的方式记录下来，用精妙的艺术手段来展现这项精密的科学技术。

蒙德里安参观实验室的那天。作者：Chris Sip和Albert Folch

微流控火箭。来源：FolchLAB

彩色迷宫。来源：FolchLAB

层流梯度。来源：youtube

流动的不止液体，还有音乐。福尔奇教授利用微流体芯片为我们献上了一场微流芭蕾秀，与其说是芭蕾不如说是微型的“音乐灯光喷泉秀”。

七股彩色染料的水平分布对应着音乐相应的高中低七个频率，随着音乐的进行，当某个频率的音量高于阈值时，对应的微型阀开启，染料喷涌而出，与音乐完美契合。当不同颜色染料汇合时，由于层流现象，不会相互混合，仿佛缓慢流动的印象派画作。音画还蛮治愈的，请大家调到舒服的音量尽情欣赏。

微流体芭蕾。来源：youtube

福尔奇教授在经营实验室的同时，也担任期刊《Lab on a Chip（芯片实验室）》的顾问与艺术编辑。

《Lab on aChip》期刊封面

《Lab on a Chip》由英国皇家化学学会 (RSC)出版，发表多学科领域的微米级、纳米级研究成果。期刊每年都会与美国国家标准与技术研究所(NIST)共同赞助Art in Science Award科学艺术摄影竞赛，并在化学与生命科学微型化系统国际会议(µTAS)上颁奖。

Art in Science Award科学艺术摄影竞赛提交的作品主要是关于微系统（微流控）。作品参赛选手需要是µTAS的参与会员，也是图片所属文献的作者或合著者。可以说，这就是专门为科学家举办的视觉艺术大赛。获胜者的作品除了得到奖金与证书之外，还能登上期刊的封面。

下图是2021年获奖作品《Living Impression Sunrise》。肿瘤转移前血管周围生态位的荧光图像。在微流控芯片中，人脐静脉内皮细胞与肿瘤细胞相互作用形成三维的微血管网络。这张图片的标题灵感来自克劳德·莫奈的《日出印象》。

2021年获奖作品《Living Impression Sunrise》，作者：杜阳（音译）复旦大学。来源：Lab on a chip

2017年获奖作品《给泡沫一个机会》。“由于会对观察造成干扰，气泡被认为是微流体研究人员的噩梦，而在这里他们大胆亮相，向那些讨厌它们的人展示其独特的美丽。”这张图片是在微流控室灌注 pluronic f-127的过程中获得的摄影图片。

2017年获奖作品《给泡沫一个机会》。作者：Maria CristinaLetizia 来源：Lab ona chip

2020年获奖作品《微血管环》，作者：李沁宇，上海交通大学。显示了在环形聚甲基丙烯酸甲酯微流体室中，人类脐静脉内皮细胞的三维血管生成网络。来源：Lab on a chip

2019年获奖作品《细胞的世界》，作者：Joseph de Rutte，UCLA。使用结构化微粒形成的均匀液滴的荧光图像。来源：Lab on a chip

2019年入选作品《由骨细胞制成的星星和钻石》，作者：Charlotte Yvanoff，比利时布鲁塞尔自由大学。来源：Lab on a chip

2018年获奖作品《绿色星球》，作者：Nam-Trung Nguyen。一个漂浮的液体大理石，上面装饰着绿色荧光珠。来源：Lab ona chip

2012年获奖作品《拉伸彩虹》。滴液在数字微流控平台上被拉伸。来源：Lab on achip

P.S.不论是早期伽利略与达芬奇那些著名的科学手绘，还是近代以来伴随各类研究论文的科学图像，科研工作过程中带出的视觉产物一直影响着后世科学家的思考与研究，作为研究文献的封面图像，好的作品往往可以“一眼入魂”，赏心悦目并直抒胸臆，具有科学与美学的双重价值。

Reference:

https://albertfolch.wixsite.com/folchlabhome/history-of-bait

https://theconversation.com/microfluidics-the-tiny-beautiful-tech-hidden-all-around-you-160436

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/lc/c8lc90028k

https://savannahszemethy.wixsite.com/microfluidicart?pgid=juhal6k0-d9c8da0c-2335-4895-9d1b-8faa09c98a34

https://www.youtube.com/watch?v=EYuyRUjnTgc

http://www.blubblubb.net/oracle/index.html

https://scheringstiftung.de/en/programm/dialog/foerderprojekte/max-planck-institute-starten-artist-in-residence-programm/ausstellung-klasmpi/

https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/microfluidics-and-microfluidic-device-a-review/

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：科学艺术研究中心

编辑：藏痴