Mikroakışkanlar temelini fizik, kimya, biyoloji ve mühendislikten alan disiplinler arası bir araştırma alanıdır. Bu alanda minyatür sistemlerin üretilmesine yönelik araştırmalar yapılır. Bu sistemler DNA çiplerin üretimi, biyolojik tahliller ve kimyasal sentezler gibi amaçlarla kullanılabilir.
Mikroakışkan çipler çok küçük hacimli akışkanların mikro ölçekteki kanallar içinde kontrol edilmesini ve hareket ettirilmesini sağlayan sistemlerdir. Mikroakışkan çiplerin yapımında farklı malzemeler ve üretim teknikleri kullanılır. Bu amaçla en yaygın kullanılan malzeme düşük maliyetli olması, ışığı geçirmesi ve biyolojik olarak uyumlu olması (yani içinde bulunduğu canlı dokunun yapısını ve işlevlerini olumsuz etkilememesi) nedeniyle polidimetilsiloksandır (PDSM). Mikroakışkan çiplerin üretiminde en yaygın kullanılan kalıp hazırlama yöntemi ise litografidir. Bu etkinlik ile litografi yöntemi hakkında bilgi sahibi olabilirsiniz.
Akışkanlar mikro ölçekte makro ölçekte olduğundan farklı davranır. Mikro ölçekte yüzey gerilimi, enerji kaybı ve akışkan direnci akışkanların hareketini etkileyerek kontrol etmeye başlar. Mikroakışkanlar alanındaki araştırmacılar, bu değişimleri anlamaya ve bu bilgileri kullanarak sıvıların hareketini kontrol etmeye çalışırlar.
Şimdi, sıvıların hareketini etkileyen birkaç faktörü açıklayalım.
Viskozite
Viskozite basitçe akışkanın akmaya karşı ne kadar direnç gösterdiğidir. Daha ayrıntılı açıklamak gerekirse bir sıvının kayma veya yüzey gerilimine şekli değişmeden ne kadar dayanacağının ölçüsüdür. Viskozite arttıkça akışkanlık azalır. Örneğin balın viskozitesi suyunkinden daha yüksektir.
Akışkanlar Newton tipi ve Newton tipi olmayan akışkanlar olmak üzere iki grupta sınıflandırılır. Newton tipi akışkanların üzerine bir kuvvet uygulandığında viskoziteleri değişmez. Bu akışkanlar Newton’un viskozite yasasına uyarlar. Su, benzin ve alkol Newton tipi akışkanlardandır.
Newton tipi olmayan akışkanların viskoziteleri ise üzerlerine etki eden kuvvetin büyüklüğüne ve etki etme süresine bağlı olarak değişir. Örneğin bazı Newton tipi olmayan akışkanların (nişasta-su karışımı gibi) üzerine uygulanan kuvvet arttıkça viskoziteleri artarken bazılarınınki (ketçap gibi) azalır.
Türbülanslı ve Laminer Akış
Türbülanslı akışta, akışkanı oluşturan moleküller yüzeye paralel tek bir doğrultuda değil karmaşık bir düzende hareket eder. Laminer ya da düzgün akış ise birbirine ve yüzeye paralel düzlemler halinde gerçekleşir.
Akışkanın içinde hareket ettiği kanalın genişliği 100 nanometre (metrenin milyarda biri) ile 500 mikrometre (metrenin milyonda biri) aralığındaki ölçekte ise akışkanlar ilginç ve tahmin edilemeyen özellikler göstermeye başlar. Laminer akış durumunda iki akışkan bildiğimiz anlamda karışmadan yan yana akabilir. İki akışkan sadece difüzyon (moleküllerin çok yoğun ortamdan az yoğun ortama hareket etmesi) yolu ile karışır.
Özellikle sağlık alanında teşhis amacıyla kullanılmaya başlanan ve günlük hayatımıza giren bu çalışma alanını daha iyi tanıyabilmeniz için bu yazıda evinizde bulabileceğiniz malzemelerle bir mikroakışkan çipi nasıl tasarlayabileceğinizi anlatacağız. Bu etkinlikte yapacağımız mikroakışkan çipte laminer akışı ve akışkanların laminer akış durumunda nasıl davrandığını gözlemleyeceğiz.
Bu sayede mikroakışkan çip tasarımının temel özelliklerini etkili bir şekilde öğrenilebilir, laminer akış gibi kavramları da daha kolay anlayabilirsiniz.
Nelere İhtiyacımız Var?
- Bir paket hazır jöle karışımı (limonlu veya açık renk başka bir aromalı) ve eşit ağırlıkta toz jelatin
- Üç farklı renkte gıda boyası (gıda boyalarının rengi jölenin renginden farklı olmalıdır)
- Su
- Sıvı yağ
- 5 adet tahta çubuk
- 2 adet köpük tabak
- Alüminyum folyo
- 3 adet serum hortumu
- 3 adet şırınga (şırınganın iğnesi kullanılmayacaktır)
- Pipet
- Makas
- Tek ve çift taraflı bant
- Isıya dayanıklı bir kap
- Isıtıcı
- Eldiven, laboratuvar önlüğü ve koruyucu gözlük
Uyarılar
- Etkinliğe başlamadan önce koruma gözlüğü ve eldiven takılmalı, laboratuvar önlüğü giyilmelidir.
- Sıcak su kullanılırken dikkatli olunmalıdır.
Ne Yapıyoruz?
Bu etkinlikte mikroakışkan çiplerin farklı kullanım alanlarını göstermek için çubuk şeklinde (çubuk kalıp) ve Y harfi şeklinde (Y kanallı kalıp) olmak üzere iki kalıp tasarlayacağız. Tahta çubukları, çift taraflı bandı ve köpük tabağı jöle karışımından kalıplar yapmak amacıyla kullanacağız.
Çubuk Kalıp
Tahta çubukların bir ucunu makas ile keserek düzleştirelim. Bu uçları tek taraflı bant ile birbirine yapıştıralım ve çubukları çift taraflı bant yardımıyla köpük tabağa sabitleyelim.
Bir paket jöleyi 400 mililitre (yaklaşık 2 bardak) saf suyun (saf suya erişmek mümkün değilse içme suyu kullanılabilir) içine ekleyelim ve karıştırarak çözünmesini sağlayalım. Aynı işlemi jelatin karışımı için de tekrarlayalım.
Jöle karışımını ısıya dayanıklı bir kabın içine boşaltalım ve kaynayana kadar ısıtalım.
Jöle karışımı kaynadıktan sonra kabı ısıtıcıdan alalım ve jelatin karışımını üzerine ekleyip tekrar kaynatalım.
Jöle karışımının tahta çubuğa yapışmasını engellemek için çubuğun üzerini sıvı yağ ile yağlayalım.
Jöle ve jelatin karışımını tahta çubuğun üzerini örtecek şekilde tabağa dökelim.
Kalıpları buzdolabında +4oC’de bir gün bekletelim.
Hazırladığımız mikroakışkan çipi tahta çubuklardan ayırarak kalıptan dikkatlice çıkaralım ve kanalların olduğu taraf alta gelecek şekilde, hava boşluğu kalmamasına dikkat ederek alüminyum folyonun üzerine yerleştirelim.
Pipet kullanarak kanalın uçlarına bir giriş ve bir çıkış olmak üzere iki delik açalım.
Bir kabın içinde yarım bardak su ve gıda boyasını karıştıralım ve renkli su karışımını şırınganın haznesine dolduralım.
Şırınganın ucuna serum hortumunu takalım.
Serum hortumunun diğer ucunu mikroakışkan çip kanalının giriş ucuna yerleştirelim.
Şırınga yardımı ile renkli su karışımını yavaşça mikroakışkan çipin kanalına aktaralım.
Hazırladığımız jöle ve jelatin karışımı ile altı kalıp hazırlanabilir. Karışımın kalanını Y kanallı kalıp ve kendi mikroakışkan çip kalıp tasarımlarınızı hazırlarken kullanabilirsiniz.
Y Kanallı Kalıp
Tahta çubukları “Y” harfine benzer bir şekil oluşturacak şekilde tek taraflı bant yardımıyla birleştirelim.
Y şeklindeki tahta çubukları çift taraflı bant yardımıyla köpük tabağın içine yapıştırarak sabitleyelim
Jöle ve jelatin karışımını tahta çubukların üzerine dökelim ve buzdolabında +4oC’de bir gün bekletelim.
Kalıbımız donduktan sonra dikkatlice alüminyum folyo üzerine alalım.
Pipet yardımıyla Y şekilli kanalın yukarı bakan iki ucuna giriş, aşağı bakan ucuna ise çıkış deliği açalım.
İki ayrı kaba yarım bardak saf su (veya içme suyu) koyalım ve kapların her birine farklı bir renkte gıda boyası ekleyelim.
Farklı renklerdeki suları ayrı şırıngaların haznelerine dolduralım.
Serum hortumu yardımıyla renkli su karışımının birini yavaşça “Y” kanallı mikroakışkan çipimizin giriş kanalının birinden, diğer renkli su karışımını ise ikinci giriş kanalından çipe aktaralım.
Ne Oldu?
Hazır jöle karışımının içindeki şeker mikroakışkan çip ile alüminyum folyo arasında doğal yapıştırıcı görevi yaptı ve sıvının kanallar içinde düşük hızda akmasını sağladı.
Şırınganın pistonunun bastırma hızını değiştirerek renkli su karışımının kanallardaki akış hızını değiştirelim ve sıvıların farklı akış hızlarındaki davranışlarını ve karışma biçimlerini gözlemleyelim.
Bu etkinlikte mikroakışkan çip üretiminde kullanılan litografi yönteminin basit düzeyde nasıl çalıştığını gözlemledik. Siz de “T” harfi şeklinde bir kalıp hazırlayarak yaptığınız mikroakışkan çipte sıvıların davranış biçimlerini inceleyebilir ve kanalların şekli değiştiğinde sıvıların davranışının nasıl değiştiğini karşılaştırabilirsiniz.
Ayrıca etkinlik sürecindeki gözlemleriniz sayesinde elde ettiğiniz bilgileri kullanarak türbülanslı ve laminer akış türlerini karşılaştırabilir, akış hızının akış türünü nasıl etkilediği hakkında fikir yürütebilirsiniz.
Yazarlar Hakkında:
Dr. Öğr. Üyesi Ahu Arslan Yıldız
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Biyomühendislik Bölümü
Alper Baran Sözmen
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Biyomühendislik Bölümü Doktora Öğrencisi