Fabrication of surface assisted liquid manipulation systems
Yüzey destekli akışkan kontrol sistemlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 520258
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Bu tezde, belirli polimer yüzeyler üzerinde tanımlanan desenli paletler boyunca çeşitli polar sıvıların kontrollü hareketi gösterilmiştir. Yüzey boyunca sıvı hareketi, çevredeki hidrofobik (su itici) bölgeye kıyasla nispeten hidrofilik (su çekici) tabiatlarına bağlı olarak korunur. Sonuç olarak, ya damlacıklar ya da yığınlar halinde sıvı, dış basınç akışı yönünde yüzey boyunca sürülür. Bu tür polimer mikroakışkan cihazlar, kolay kullanım, yapay pürüzlülük ilavesi, yeniden yapılandırılabilirlik, ve belirli dış uyaranlara karşı hassasiyet sağlayan ve toksik olmayan bir malzeme olan polidimetil siloksan (PDMS) kullanılarak imal edilir. Yeniden yapılandırılabilir polimer yüzeylerin üretilmesi, süperhidrofobikten süperhidrofıliğe kadar ıslanabilmelerini; oksijen plazmasına maruz bırakarak değiştirerek, birçok döngü için uygun ısıl işlemden sonra orijinal hallerine geri dönecek şekilde tanımlanabilir. Bu, fonksiyonel grupların yüzeyden kütleye göç etmesinden dolayı meydana gelen tamamen kimyasal bir işlemdir ve bunun tersi, ıslatma durumunun dramatik geçişine neden olur ve ayrıca yüzey hidrofobisitesinin mutlak olarak geri kazanılmasına izin verir. Bu yüzeylerin ıslanma özellikleri, statik, ilerleyen ve azalan su temas açıları ölçülerek belirlenir. Dar açıklıklara sahip spesifik bir PDMS maskesi, hidrofilik kanalların yapılması için yüzeye seçici maruz kalmaya imkan verecek şekilde geliştirilmiştir. Bu kanallar üzerinden, su filamanları, bir taraftan giriş rezervuarı olarak adlandırılan diğer tarafa, çıkış rezervuarına, yüzey gerilimi ile taşınan nakil olayı nedeniyle üretilmektedir. Bu modeller ısıl işlemle tamamen silinebilir, böylece yeni desenler birçok kez aynı şekilde yapılabilir. Hidrofilik yüzeyler ayrıca; PDMS-kaplanmış cam altlıkların geri dönüşümsüz bir işlem olan ve yalnızca topografiyi değiştiren lazer ablasyonu işlemine maruz kalması ile açıklanabilir. Lazer ablasyonu, PDMS kaplamasını kaldırmak ve böylece cam substratı açığa çıkarmak için yüksek güçlü, son derece odaklanmış bir lazer ışınının uygulandığı bir işlemdir. Islatılabilirlik kontrastı çok fazla olmadığı için, yüzey güdümlü nakil yerine bu protokol, kapalı bir mikroakışkan ortamda yağa batırılmış nanolitre hacimli damlacıklarını manipüle etmek için benimsenmiştir. Camın ve PDMS yüzeylerinin ıslatılabilirliğindeki fark, lazer ablasyonuna uğramış yüzeylerin, yüzeysel basamaksı enine topografik profili ile birlikte, polar damlacıkların, cam yüzeyini tercihen yüzeyi takip etmek için ıslatmasına izin verir. Topografik adımın varlığında bile daha küçük ıslanabilirlik içeren damlacıkların güdümsüz olduğu bulunmuştur. Bu fenomene dayanarak, aynı mikroakışkan çipte enjekte edilen farklı kimyasalların mikro damlacıklarının pasif ayıklanması da araştırılmaktadır. Sistemin derin ve ayrıntılı anlaşılması için farklı damlacık sıvıları, akış hızları ve kılavuz rayların geometrisi ile kapsamlı bir deneysel ve teorik çalışma yapılmıştır. Desenli yüzey üzerindeki sıvı filamentler, akışkan optik dalga kılavuzlarının üretilmesi için çok önemlidir. Bu sıvı dalga kılavuzları aracılığıyla ışığın yönlendirilmesi, biyo-algılama, biyo-lasing'i çoğunlukla görünür spektrumda oldukça verimli bir şekilde kullanabilir. Tezin son bölümünde holey fiberine dayanan optofluidrodamin B boya lazerin teorik uygulaması gösterilmiştir. Geleneksel boya lazeri ayrıca fiber lazeri ile bir karşılaştırma için modellenmiştir. Boya lazerinin spesifik bir fiber bazlı varyantının, daha küçük lasing eşiği ve daha yüksek eğim verimi elde etmek için geleneksel boya lazerinden üstün olduğu sonucuna varılmıştır. Bu tip akışkan lazerler, yeniden yapılandırılabilir desenli yüzeyler üzerinde akışkan dalga kılavuzlamasıyla da oluşturulabilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, controlled motion of various polar liquids along patterned tracks defined over certain polymer surfaces is demonstrated. The liquid motion along the tracks is maintained due to their relatively hydrophilic (water attractive) nature as compared to the surrounding hydrophobic (water repellent) region. As a result, liquid, either in the from of droplets or bulk, is driven along the tracks in the direction of external pressure flow. Such polymer microfluidic devices are fabricated using polydimethyl siloxane (PDMS) which allows easy handling, artificial roughness addition, reconfigurability, non toxic nature and sensitivity to certain external stimulus. Fabrication of reconfigurable polymer surfaces are demonstrated which switch their wettability from superhydrophobic to superhydrophilic upon exposure to oxygen plasma and return to their original state after appropriate thermal treatment for many cycles. This is a purely chemical process taking place due to the migration of functional groups from surface to the bulk and vice versa which causes dramatic transition of wetting state and also allows absolute recovery of surface hydrophobicity. Wetting properties of these surfaces are determined by measuring their static, advancing and receding water contact angle. A specific PDMS mask with narrow openings is developed which allows selective exposure to the surface to make hydrophilic channels. Over these channels, water filaments are produced due to surface tension driven transport phenomenon from one side called input reservoir to the other side, output reservoir. Those patterns are absolutely erasable by thermal treatment, so that, new patterns can be made in the same way for many times. Hydrophilic tracks can also be defined by exposing PDMS–coated glass slides via laser ablation which is an irreversible process and only changes the topography. Laser ablation is a process of exposure of a high power extremely focused laser beam to remove PDMS coating, thus, uncovering the glass substrate. Since the wettability contrast is not too much, instead of surface driven transport, this protocol is adopted to manipulate droplets of nanoliter volume immersed in oil in a closed microfluidic environment. The difference in wettability of glass and PDMS surfaces together with the shallow step-like transverse topographical profile of the ablated tracks allow polar droplets wetting preferentially the glass surface to follow the track. Droplets with smaller wettability are found to be unguided even in the presence of topographic step. Based on this phenomenon, passive sorting of microdroplets of different chemistry injected in the same microfluidic chip is also explored. A comprehensive experimental and theoretical study is done with different droplet liquids, flow speeds and geometry of guiding tracks to gain deep and detailed understanding of the system. Liquid filaments over patterned surface are of paramount importance in photonics for fabricating fluidic optical waveguides. Guiding of light through these liquid waveguides can benefit bio-sensing, bio-lasing mostly within the visible spectrum in a highly efficient way. The theoretical implementation of an optofluidic rhodamine B dye laser based on holey fiber is demonstrated in the last chapter of the thesis. Conventional dye laser is also modeled for a comparison with the fiber laser. It is concluded that a specific fiber based variant of dye laser is superior to the conventional dye laser for having smaller lasing threshold and higher slope efficiency. These types of fluidic lasers can also be established by fluidic waveguiding over reconfigurable patterned surfaces.
Benzer Tezler
- Silisyum altlık üzerine lazer ile aktifleştirilmiş akımsız bakır biriktirme
Laser activated electroless copper deposition on silicon substrate
SERGEN HALİM AYHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD
III-nitratların ve metal oksitlerin atomik katman kaplamısı; bunların alan seçici ALD'deki uygulamaları
ALI HAIDER
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. AYKUTLU DANA
DR. NECMİ BIYIKLI
- Implementation of novel carbon-based nanomaterials for high-performance gas sensors
Yüksek performanslı gaz sensörlerinde yenilikçi karbon bazlı nanomalzemelerin uygulanması
MOHAMAD ANAS HEJAZI
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Laser ablation assisted size-based sorting of pure water droplets inside a microfluidic chip and designing a microfluidic chip for studying sprouting angiogenesis
Lazer işleme ile geliştirilen mikroakışkan çip içerisinde su damlalarının boyutlarına bağlı sınıflandırılması ve anjiyojenez çalışmalarına yönelik mikroakışkan çip tasarımı
ATEEQ UR REHMAN
Doktora
İngilizce
2019
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Development of a drug dose-adjustable transdermal microneedle system
İlaç dozu ayarlanabilir bir deri içi mikroiğne sisteminin geliştirilmesi
BUĞRA KAĞAN ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SONER ÇAKMAK
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ŞENTÜRK