Geri Dön

Experimental and numerical investigation of electrohydrodynamic based active micromixer

Elektro-hidrodinamik aktif mikrokarıştırıcıların deneysel ve nümerik incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 874190
  2. Yazar: İREM BAHAR GÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Mikroakışkan, mikro boyuttaki yapılardan, mikro hacimde sıvılar geçirilerek, laboratuar ortamını taklit eden deney düzeneği sunar. Bu düzenekler çip-üstü-lab olarak da adlandırılır. Mikroakışkan sistemlerde hem ayrıştırma, hem karışma işlemleri uygulanabilir. Ayrışma işlemi temelde malzemeleri (nanopartikül, hücre) boyut, şekil, manyetik özellik gibi karakteristiklere göre ayırmaya yardımcı olur. Karışma işleminde ise bir üretim söz konusudur. Burada farklı teknikler kullanılarak (oil-in-water, water-in-oil, moleküler difüzyon, vb.) yeni bir malzeme üretimi gerçekleştirilir. Mikro-karışım işlemi, kısa sürede karıştırma, düşük numune miktarı ve uygun imalat maliyeti nedenleriyle son yıllarda farmakoloji, biyoloji, tıp, mühendislik, kimya ve gıda endüstrisi gibi çeşitli alanlarda ilgi görmektedir. Karışım derecesi yani karışımın karışma oranı, sentez yöntemlerini içeren biyolojik uygulamalarda önem kazanmaktadır. Mikro-karıştırıcılar ise istenen bu karışım derecesinin elde edilmesi açısından en uygun çözüm yöntemlerindendir. Mikrokarıştırıcılar, mikro ölçekli mekanik ve elektromekanik elemanları içeren bir teknoloji olan Mikro-Elektro-Mekanik Sistem uygulamalarından biridir. Dışarıdan etkiyen ek bir kuvvetin/alanın olup olmamasına göre pasif mikro-karıştırıcılar ve aktif mikrokarıştırıcılar olarak ikiye ayrılır. Pasif mikro-karıştırıcılarda dışarıdan etkiyen alan söz konusu değilken, aktif mikro-karıştırıcılarda dışarıdan etkiyen alan (elektrik alan, manyetik alan, akustik dalgalar, hidrodinamik pompa vb.) söz konusudur. Bu projede ise aktif mikro-karıştırıcılar incelenmiştir. Dış etken olarak elektrik alandan faydalanılarak, elektrik alanın büyüklüğünün ve elektrot sayısı ile tasarımının karışmaya etkisi incelenmiştir. Projede elektrohidrodinamik mikrokarıştırıcıların analizi yapılmıştır. Üretimi yapılan mikrokanalların genişliği 200 µm, derinliği 50 µm ve uzunluğu 4000 µm'dir. Mikroakışkan sistemlerde kullanılan bakır elektrotların tasarımlarının karışma kalitesine etkisi için yapılan simülasyonlara göre, hem 2- boyutlu, hem 3-boyutlu tasarımlardan 3'er tasarım kullanılmıştır. Karışmaya etki eden esas etmenler, elektrot tasarımı, elektrot sayısı, Reynold's sayısı, debi ve uygulanan voltajdır. Bunu göstermek için deneyler ve simülasyonlarda Reynold's 0,1-1-5-10-15 ve 0-5-10-15-20 V değerleri kullanıldı. Karışım indeksi adı verilen temel parametre, iki sıvının birbiri içinde ne kadar karıştığını ifade eder. Bu proje kapsamında mikrokarıştırıcı verimi bu parametreye bağlı olarak yorumlanmıştır ve aktif mikro-karıştırıcı verimleri karıştırma indeksine göre incelenmiştir. Mikrokanal tasarımları ve elektrot tasarımları Karşılaştırmalı Akış Dinamiği ile COMSOL Multyphysics programı ile geliştirilmiştir. Tüm bu farklı tasarımlar içinden karışmaya en yüksek verimi sağlayan tasarımlar üzerinden simülasyonlar yürütüldü. Bu tasarımlar Autocad programı ile çizilerek, asetat maske olarak hazırlandı. Temel üretim yöntemi olarak yumuşak litografi kullanıldı. xxvi Mikrokanal deseni Silikon-wafer üzerine SU8-3050 negatif fotorezist kaplanarak hazırlandı. Sırasıyla yumuşak ısıtma, UV dozlama, litografi sonrası ısıl işlem, kimyasal çözgenle uzaklaştırma ve sert ısıtma uygulandı. Elektrot tasarımları ise aynı işlemler gerçekleştirilerek ve AZnLof-2070 lift-off fotorezist kullanarak cam üzerine transfer edildi. Mikrokanal ve elektrot desenleri ışık mikroskobunda incelendikten sonra, eğer düzgün bir tasarım oluşmuşsa ilerleyen deneylerde kullanıldı, eğer tasarım düzgün değilse, yeniden üretim yapıldı. Elektrot üretiminde farklı yaklaşımlar kullanıldı. İlk yaklaşımda, karbon nanotüp ve grafen partiküllerini polidimetilsiloksan ile karıştırarak, iletken bir yapı elde edilmesi amaçlandı. Sonuç olarak, bu malzeme hazırlanan mikrokanalın yan duvarlarındaki boşluklara enjekte edilerek elektrotlar hazırlanmış oldu. Bu yaklaşımla elde edilen elektrotlar sızdırmazlık deneyleri sırasında mikrokanal içine sızmaya sebep oldu. Sızdırma sebebiyle bu elektrot üretim yöntemi kullanılamadı. İkinci yaklaşımda lazerle indüklenmiş grafen yöntemi kullanıldı. Silikon-wafer üzerine yapıştırılan poliimid film-kapton bant üzerine Lazerdrw programında çizilerek istenen tasarımlarda hazırlanan maskeler, CO2 lazer kullanılarak kapton bant üzerinde grafen oluşturuldu. Lazer uygulanan bölgede latis yapısının titreşimi ve fraksiyonu, yüksek sıcaklık derecelerine ulaşılmasına neden olur. Bu sıcaklık seviyelerinde C atomu bağları kırılarak yeniden düzenlenir. Bu düzenlenmeler grafen oluşumunu destekler. Bu poliimid filmlerin üzerine 10:1 polidimetilsiloksan-kürleştirme ajanı karışımı dökülüp 2 saat boyunca 70℃'de kürleştirme işlemi gerçekleştirildi. Polidimetilsiloksan mikrokanal Silikon-wafer üzerinden ayrıştırılınca bu grafen bölgeler polidimetilsiloksana yapışarak transfer oldu. Oksijen plazma işlemi ile cama geri dönüşümsüz şekilde bağlanan mikrokanalda sızdırmazlık deneyleri sırasında mikrokanaldan elektrotlara doğru sızdırma gözlemlendi. Elektrotların üretiminde kullanılan diğer bir yöntem ise fiziksel buhar biriktirme yöntemi. İnce film kaplama cihazının vakum bölmesine yerleştirilen fotoresist kaplı camlar, sputter yöntemiyle bakır kaplandı. Metal film kalınlığına göre, işlem sürdürüldü. 70℃ lift-off çözeltisine bırakılan örneklerdeki fotorezist tabaka soyularak uzaklaştırıldı ve elektrot tasarımı ortaya çıkarıldı. Polidimetilsiloksan mikrokanal üretiminde, silikon-wafer kullanıldı. Desen oluşturulan silikon-wafer üzerine 10:1 polidimetilsiloksan-kürleştirme ajanı karışımı eklendi. 1 saat boyunca vakumda bekletilerek, hava kabarcıkları uzaklaştırılan bu karışım, 70℃' de 2 saat boyunca kürlendi. Kürlenme sonrası, kesilip, giriş ve çıkış yerleri delinen polidimetilsiloksan mikro-kanallar temizlenerek oksijen plazma işlemine hazırlandı. Elektrotlar ve polidimetilsiloksan mikrokanallar, plazma cihazının vakum bölmesine yerleştirilerek, ortam vakum altına alındı. İçeri moleküler oksijen akışı sağlandıktan sonra manyetik alan uygulanarak oksit iyonunun yüzeylere yapışması sağlandı. Elektrot ve polidimetilsiloksan mikrokanallar birbirine geri dönüşüm olmaksızın bağlandı. Deneylere başlamadan önce hazırlık aşamaları tamamlandı. Mikrokanal içerisinde elektrik alanı sağlamak için, elektrotlar bakır tel ve gümüş pasta kullanılarak güç kaynağına bağlandı. Gümüş ve pasta bileşenleri 1:1 karıştırılarak elektrot ve bakır tele temas ettirildi, bu sırada 130 ℃'de kürleştirildi. xxvii Elektrotlar güç kaynağına bağlandıktan sonra, mikrokanalların giriş ve çıkış kısımlarına teflon tüpler takılarak şırınga pompa sistemine bağlandı. Şırıngalara ise kullanılacak sıvılar doldurularak, mikrokanala enjeksiyonu başlatılmış oldu. Mikroakış deneylerinde farklı akış hızları ve volt değerleri kullanılarak, karşılaştırmalı akış dinamiğinde belirlenen en verimli elektrot tasarımları deneylerle de karşılaştırıldı. Akış sırasında mikrokanalın mikroskop görüntüleri çekilerek, Imagej programında karışma oranı hesaplaması için hazırlandı. Imagej programında“grayscale”,“binary”,“variance”ve“medium”filtreleri kullanılarak, %siyah-(beyaz+siyah) oranı hesaplandı. Siyah alan karışan kısmı temsil ederken, beyaz alan kesit alanının geri kalan kısmını göstermektedir. Tüm hesaplamaların sonunda ise Origin kullanılarak oluşturulan grafiklerde her bir tasarım için deney ve simülasyon sonuçları karşılaştırıldı. Hesaplamalara göre deneysel süreçlerden elde edilen sonuçlar ile simülasyon sonuçları doğru orantılıdır. Sonuçlara göre, Tasarım 5 ve tasarım 1 kullanılarak yapılan simülasyon çalışmalarında, elektrik alan karışma indeksini önemli ölçüde arttırmaktadır. Fakat, deneyler sırasında biyolojik araştırmalar düşünülerek yapılan düşük voltaj uygulamasından dolayı 0,5'ten yüksek karışma indeksi elde etmek oldukça zordur. Düşük volt uygulamalarının, biyolojik çalışmalar için, biyolojik bileşenlere güvenli bir ortam oluşturması ve verimi artırması, hücre deneylerinde EHD mikroakışkan sistemlerin kullanımını yaygınlaştırmaya yönelik temel oluşturabilir. Sonuç olarak elektrik alan altında, biyolojik uygulamalarda kullanılmaya uygun ve karışım kalitesi istenen derecede yüksek olan mikro-karıştırıcı tasarımının belirlenmesi amaçlanmıştır. Biyolojik uygulamalar için elektrohidrodinamik mikrokarıştırıcıların verimini ortaya koyuş olup, nanobiyoteknolojide elektrohidrodinamik mikroakışkan yöntemlerin geliştirilmesi için gelişme kaydetmiş olduk.

Özet (Çeviri)

Micro-mixing process has attracted attention in recent years in various fields such as pharmacology, biology, chemistry and food industry due to its short mixing time, low sample amount and affordable manufacturing cost. The degree of mixing, that is, the mixing ratio of the mixture, becomes important in biological applications involving synthesis methods. Micro-mixers are one of the most suitable solution methods to achieve this desired mixing level. Micromixers are one of the applications of MicroElectro-Mechanical Systems, a technology that includes micro-scale mechanical and electromechanical elements. They are divided into two as passive and active micromixers, depending on whether there is an additional force/field acting from the outside. In this project, active micromixers were examined. In the project, electrohydrodynamic micromixers were analyzed. The microchannels produced have a width of 200 µm, a depth of 50 µm and a length of 4000 µm. According to the simulations made for the effect of the designs of copper electrodes used in microfluidic systems, 3 designs from both 2-dimensional and 3-dimensional designs were used. The main factors affecting mixing are electrode design, Reynolds number, flow rate and applied voltage. To demonstrate this, Re values of 0.1-1-5-10-15 and 0-5-10-15-20 V values were used in experiments and simulations. The basic parameter called the mixing index expresses how well two liquids mix with each other. Within the scope of this project, micromixer efficiency was interpreted depending on this parameter and active micromixer efficiencies were examined according to the mixing index. Negative photoresist was coated on a bare Si-wafer using spin coater. A softbake process was appliedto remove excess solvent in the photoresist, to increase the litography efficiency. A certain time UV (ultraviolet) exposure on the resist film was done. According to masks shape, crosslinks were formed, which strenghten the designed patterns. In order to incerase the structure stability, a heat driven cross link formation was done by post exposure bake. A chemical solvent called developer removed the photoresist remains from the Silicon-wafer. Thus the microchannel pattern was formed. Polydimethylsiloxane molds were fabricated from the Silicon-wafer by using 10:1 Polydimethylsiloxane-curing agent ratio. The mixture was poured on the Siliconwafer, following air bubbles removing via a vacuum oven. Finally, the curing process was applied at 80℃ for 1.5 hour. The Polydimethylsiloxane mold was removed from the Silicon-wafer, and cut off prior to O2 plasma process. The electrode patterns were fabricated same way as microchannels. Instead of using Silicon-wafer, the glass slides were used. After development, thin metal film formation was done with physical vapor deposition technique. The copper electrodes were fabricated by sputter method. xxiv The O2 plasma connected the electrodes and microchannels to each other irreversibly. Thus, the microdevice was fabricated. During the experiments, the electrodes were connected to power supply via copper wires and silver paste. The tubings connected to inlets, outlets and syringe pump. The microscopic images were collected for the analysis in Imagej. The black and white ratio was used to calculate mixig index. These results indicates that, for Case5 and Case1, electrical filed increases the MI, remarkably. However, since we applied lower voltage values, and laminar flow with low Reynolds numbers, it is hard to obtain mixing index as higher than 0.5. For biological studies, electrohydrodynamic micromixers may be effectively using, with low voltage values. In order to improve the electrohydrodynamic micro-mixing in nanobiotechnology, we have utilized voltage level compatible with bio-applications. The fact that low-volt applications create a safe environment for biological components for biological studies may form the basis for expanding the use of electrohydrodynamic microfluidic systems in cell experiments. As a result, it was aimed to determine the micromixer design that is suitable for use in biological applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    478663

    Numerical simulation of multiphase flows under electrohydrodynamics effects

    Elektrohidrodinamik etkiler altında çok fazlı akımların sayısal simülasyonu

    AMIN RAHMAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET YILDIZ

  2. Tez No

    85945

    Yatay ve eğimli kanallarda laminer akışta karışık konveksiyon ile ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of heat transfer with laminar mixed convection in horizontal and inclined channels

    ABUZER ÖZSUNAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MECİT SİVRİOĞLU

  3. Tez No

    85957

    Experimental and numerical investigation of gas-particle flow after a 90 degre vertical-to-horizontal elbow

    90 derece yatay-dikey dirsekten sonraki katı-gaz akışın deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    HÜSEYİN AKILLI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Makine MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN

  4. Tez No

    77640

    Betonarme yapı elemanlarında basınç-kesme kırılmasının ve boyut etkisinin deneysel ve nümerik olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of compression shear fracture and size effect of reinforced concrete structural elements

    RAGIP İNCE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat MühendisliğiFırat Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDUSSAMET ARSLAN

  5. Tez No

    771217

    Ağır taşıt radyatöründe TiO2-su nanoakışkanının soğutma performansına etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of the effects of TiO2-water nanofluid on cooling performance in heavy vehicle radiator

    EMRE AŞKIN ELİBOL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ TURGUT

Geri Dön