نانوتکنولوژی بخش 2: میکروسیالات، قطرات و کپسول‌ها

آنچه یاد خواهید گرفت:

• رفتار و ویژگی‌های سیالات در مقیاس میکرو
• ساخت دستگاه‌های میکروسیال مویین شیشه‌ای و PDMS
• مکانیسم‌های تشکیل میکروکپسول‌ها و قطرات
• حیات در اعداد رینولدز پایین
• معادلات ناویر-استوکس 
• اعداد وبر، رینولدز و مویینگی 
• بارهای سطحی و لایه دوگانه الکتریکی
• الکترواسمز، پتانسیل جریان
• پدیده‌های الکتروسینتیک 
• جریان‌های ناشی از فشار، گرانش و الکترواسمز
• مفهوم محیط پیوسته 
• میکروشناگرهایی که از نفوذ براونی استفاده کرده و بر آن غلبه می‌کنند
• اختلاط سیالات از طریق هم‌زدن و نفوذ
• نمونه کاربرد: پمپاژ الکترواسموتیک

توضیحات دوره

سیالات مقیاس نانو یا میکروسیالات، رفتار سیالات را در مقیاس میکرو بررسی می‌کنند. در این مقیاس، خواص سیالات به طور بنیادین تغییر می‌کند. برای مثال، در اعداد رینولدز بسیار پایین، آب در کانال‌های کوچک به اندازه عسل چسبناک می‌شود (این اتفاق بدون تغییر در ویسکوزیته و تنها با کاهش ابعاد رخ می‌دهد). رابط سیال-مایع دارای بار الکتریکی است و این همان جایی است که مولکول‌ها تجمع می‌یابند.

پمپاژ سیالات در میکروکانال‌ها با استفاده از فشار مکانیکی کار دشواری است. مشخص شده است که اعمال جریان‌های کوچک یا استفاده از پدیده الکترواسمز به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد. این موضوع همچنین بر شناگران کوچکی مانند باکتری‌ها یا میکروربات‌ها تأثیر می‌گذارد، چرا که آن‌ها نمی‌توانند از استراتژی حرکتی موجودات بزرگتر استفاده کنند. سلول‌های بیولوژیکی با طراحی مکانیکی ماشین‌های ساخته‌شده به دست انسان تفاوت بسیاری دارند.

سلول‌ها محفظه‌های میکروسیالی هستند که در آن‌ها مولکول‌ها به سرعت با هم ترکیب شده و واکنش می‌دهند. این مولکول‌ها به دلیل زمان بسیار کوتاه رفت‌وآمد و نفوذ، چندین بار در ثانیه با یکدیگر برخورد می‌کنند. طی دهه‌های گذشته، دستگاه‌های میکروسیال جدیدی کشف شده‌اند که از خواص سیالات در مقیاس کوچک بهره می‌برند. به عنوان مثال، دستگاه‌های میکروسیال مویین شیشه‌ای و PDMS برای دستکاری سیالات در عدد رینولدز پایین به کار می‌روند تا قطرات و امولسیون‌های دوگانه ساخته شوند.

این محصولات کاربردهای متعددی در طراحی مواد فوق‌سبک جدید با خواص نوین، کشاورزی، لوازم آرایشی، پزشکی و علوم زیست‌محیطی دارند. برای مثال، با استفاده از قطرات پیکولیتری، غربالگری با توان عملیاتی بالا روی هدف مورد نظر امکان‌پذیر می‌شود. این کار به انجام هزاران آزمایش در ثانیه با استفاده از حداقل واکنش‌گرها کمک می‌کند و بررسی میلیون‌ها واکنش را در مدت زمان کوتاهی فراهم می‌کند، مانند فرآیند کشف داروهای جدید. این دوره شامل محاسبات سرانگشتی و مثال‌های متعددی برای دانشجویان و دانشمندان علاقه‌مند به میکروسیالات قطره‌ای تجربی است.

این دوره برای چه کسانی مناسب است؟

• دانشجویان، مهندسان و دانشمندانی که در زمینه علوم تجربی کار می‌کنند.