ریزسیال، میکروفلوید | هوافضای جوان

ریزسیال، میکروفلوید

همواره در طول تاریخ، دانشمندان با مطالعه ی پدیده های مختلف سعی در بهبود کیفیت زندگی افراد داشته اند. در قرن بیستم با ظهور وسایل پرنده، دانشمندان در رشته ی سیالات و آیرودینامیک تمرکز خود را بر روی ارتقای کیفیت پرواز گذاشتند، که تا به امروز نیز این امر در حال اجرا است. اما در چند دهه ی گذشته، با پیشرفت تکنولوژی در زمینه های مختلف، فرصت همکاری در بعضی از رشته ها با یکدیگر ایجاد شد. میکروفلوید یکی از این فرصت ها بود که محققان در زمینه های سیالات، بیوشیمی و نانوتکنولوژی توانستند با به اشتراک گذاشتن دانش خود مسائل سیالاتی را در مقیاس میکرو تحلیل کنند. در ادامه به معرفی این نوع سیال  می پردازیم.

معرفی

میکروفلوید، دانش مربوط به مطالعه ی رفتار سیالات درون ریز-کانال ها در مقیاس میکروسکوپیک و همچنین تکنولوژی ساخت کانال ها و مسیر های سیال در اندازه ی میکروسکوپیک است.

سیالاتی که در زمینه ی میکروفلوید مطالعه می شود بسیار کم حجم است. این سیالات در حد فمتولیتر (Femtoliter) می باشد، که مقدار آن برابر ده به توان منفی ۱۵ لیتر است. رفتار سیال در این مقیاس کوچک بسیار متفاوت است، که در ادامه به آنها می پردازیم. ویدیوی زیر، تصاویری از چند مسیر سیال را نشان می دهد که در ابزار میکروفلوید ساخته شده و به وسیله ی اختلاف فشار کنترل شده است.

کاربرد

به طور کلی، ابزار میکروفلوید موقعیتی را فراهم میکند تا بتوان ویژگی های فیزیکی و شیمیایی سیال را در مقیاس میکرو بررسی کرد. اگرچه استفاده از ریزسیال هنوز مراحل ابتدایی خود را به سر می برد، اما این تکنولوژی به سرعت در حال پیشرفت است. در حال حاظر، کاربرد های آن در زمینه های بیولوژی، شیمی، فناوری اطلاعات و زمینه ی اوپتیک می باشد. بر خلاف مزایای زیادی که ریزسیال دارد، این تکنولوژی به طور وسیع مورد استفاده قرار نگرفته است. دلیل این امر نیز تجاری نشدن این محصول تا به الان می باشد. اما موفق ترین کاربرد تجاری استفاده از میکروفلوید در جوهرافشان پرینتر بوده است.

یکی دیگر از کاربردهای میکروفلوید، تکنولوژی به نام Lab-on-a-Chip، به معنای آزمایشگاه روی تراشه ی ریز، می باشد. ابزار میکروفلوید به محققان در زمینه ی بیوشیمی اجازه می دهد که با اندازه ی کوچکی که دارد، رفتار سیال و تغییرات ذرات درون سیال را با دقت بیشتری مطالعه کنند. به دلیل قابل حمل بودن این وسیله، محققان می توانند آزمایشات خود را بدون انتقال دادن به آزمایشگاه و در محل مورد نظر انجام دهند. همچنین، کنترل سیال در این وسیله می تواند بسیار راحت تر انجام شود و احتمال در معرض مواد خطرناک قرار گرفتن را نیز کاهش می دهد. در عکس زیر، یک نمونه از این تراشه را می توان مشاهده کرد.

تصویری از دستگاه میکروفلوید. به دلیل پر کاربرد بودن، این ابزار آزمایشگاهی بر روی تراشه ی کوچک نام گذاری شده است.

نحوه ی ساخت میکروفلوید

به دلیل ریز بودن اندازه ی مسیر حرکت سیال، برای ساخت دستگاه میکروفلوید باید از ابزاری با دقت بسیار بالا استفاده کرد. به همین منظور، دستگاه ریز سیال بر روی یک فیلم نازک به روش فتولیتوگرافی (Photolithography) ساخته می شود. این روش، فرایند حک کردن یک الگو بر روی سطحی خاص است. به طوری که، با هدایت امواج UV بر روی آن سطح، یک لایه ی نازک از آن برش داده می شود. معمولا موادی برای این کار استفاده می شوند که به این امواج واکنش نشان دهند. برای این کار معمولا از یک نوع پلیمر مخصوص، نوع خاصی از شیشه و یا نوار سیلیکونی که به نور با طول موج خاصی حساس است، برای حک کردن مسیر سیال می توان استفاده کرد.

در این فرایند، معمولا سطح مورد نظر از سه لایه تشکیل شده است که لایه ی سیلیکونی آن با اعمال نور خورده می شود. بر روی سیلیکون نیز یک لایه از رزین پاشیده می شود تا در فرایند ساخت کانال، مقدار دلخواهی از عمق کانال ایجاد شود. همانند تصویر زیر، با اعمال امواج UV، مسیر مورد نظر را می توان ایجاد کرد.

نمایی از نحوه ی ایجاد کانال ریزسیال به کمک روش فتولیتوگرافی؛ با اعمال امواج UV بر روی نقاط دلخواه مسیر سیال مورد نظر ایجاد می شود.

رفتار سیال در مقیاس میکرو

برخی از رفتارهای سیال در مقیاس میکرو غیر معمول و گاها عجیب می باشد. به عنوان مثال، عدد رینولدز، که نسبت بین اثر نیروهای جنبشی سیال به نیروهای لزج سیال را نشان می دهد، در این مقیاس به شدت کاهش می یابد. تبعات کاهش رینولدز باعث می شود تا سیال به صورت عادی نتواند آمیخته شود. با کاهش عدد رینولدز، جریان به شدت آرام شده و سیال می تواند فقط در حالت دیفیوژن (پخش مولکولی به صورت رندم) ذرات را درون خود منتقل کند. مثالی از دیفیوژن پخش بوی عطر می باشد. ذرات عطر به صورت رندم به مولوکول های هوا برخورد می کنند تا این که بوی عطر تمامی اتاق را در بر بگیرد.

به عنوان مثال، در حالت عادی با وارد کردن قطره ای جوهر در یک لیوان آب، رنگ آب داخل لیوان تغییر می کند. اگر قطره ی جوهر بدون سرعت و شتاب درون سیال ساکن وارد شود و هیچ اختلاف دمایی بین سیال و جوهر نباشد، خاصیت دیفیوژن باعث می شود به آرامی رنگ جوهر درون لیوان پخش شود. اما اگر پس از وارد کردن قطره مایع درون لیوان را با یک قاشق هم بزنیم (با این کار یک جریان آشفته ایجاد می شود)، رنگ جوهر به صورت یکدست در مایع پخش می شود. ویدیوی زیر نشان می دهد که آشفتگی سیال بر روی میزان اختلاط آن اثر مستقیم دارد.

اما در ریزسیال این امر اتفاق نمی افتد. به دلیل آرام بودن جریان و پایین بودن عدد رینولدز، مخلوط شدن ریز سیالات به روش متفاوتی از قطره ی جوهر درون لیوان آب انجام می شود. برای مخلوط کردن دو ریزسیال درون هم از روش تبدیل نانوا یا Baker’s Transformation استفاده می شود. طبق این روش، سیال باید چندین بار در راستای طولی ادامه داده شود و سپس روی هم گذاشته شود. این امر شبیه همزدن خمیر برای بدست آوردن ترکیبی یکدست می باشد (به همین دلیل از واژه ی Baker استفاده شده که در انگلیسی به معنی نانوا می باشد!).

منابع

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

https://www.news-medical.net/life-sciences/What-is-Microfluidics.aspx

https://www.elveflow.com/microfluidic-tutorials/microfluidic-reviews-and-tutorials/microfluidics/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27700009

 

 


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.