1980’lerde Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) ve üretim metodları konseptlerinin öne çıkması ilk mikropompaların üretilmesine olanak tanıdı ve bu girişimleri ferroakışkanların manyetik manipülasyonu gibi yenilikçi hareket yöntemleri uygulamaları izledi. Bu gelişmelerin sonucu olarak 1991 ’de ilk ferroakışkan piston pompası üretildi. Bu keşif başka yeni gelişimlere de olanak tanıdı ve sonuç olarak elektromanyetik sürümlü ferroakışkan mikrodamlalık, manyetik sürümlü ferroakışkan paketlerinin valf olarak kullanımları gibi sistemler ve uygulamalar öne çıkmıtı.
Gelişen Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) teknolojisi sayesinde çeşitli karmaşıklık ve yararlılığa sahip mikropompalar üretilebilmektedir. Mikropompa tasarımlarında en önemli amaç başka mikroakışkan sistemlere kolaylıkla entegre edilebilen, kolay taşınabilen, basit ama etkili mikropompalar tasarlayabilmektir.
Biyomedikal, mikroelektronik, MEMS ve biyolojik mikroelektromekanik sistemler gibi çok geniş ve çeşitli araştırma alanlarında uygulanabilir olması nedeniyle ferroakışkanların manyetik manipülasyonları çok popüler bir araştırma alanı olmaktadır. Mikropompa uygulamalarında, bu yöntem sayesinde sıvı akışına fiziksel müdahale olmadan önemli debiler elde edilebildiğinden, düzensiz manyetik alan kuvvet gradyanları ile manyetik hareketlendirme yapılabilir (Martsenyuk, 1980). Bu düzeneklerde kullanılan nanoakışkanlar kolloidal bileşiklerdir, katı fazdaki madde nano boyutlardaki parçacıklardan, sıvı fazdaki madde ise herhangi bir sıvıdan ama genellikle sudan oluşur. Katı parçacıklar zayıf moleküller arası kuwedeıie süspansiyonda tutulur. Parçacıklar farklı manyetik özelliklerdeki malzemelerden üretilebilir.
Manyetit doğal ferromanyetik özellikleri sebebiyle kullanılan malzemelerden bindir. Manyetit ferroaloşkanlar manyetik alanlarla harekete geçirilebilirler ve bu da manyetik manipülasyonu mümkün kılar. Manyetit nanoakışkanlarda, her parçacık tek manyetik alan içerecek kadar küçüktür. Sıvıda süspanse edilen manyetik parçacıklar dış manyetik alanların etkisi ile manyetize edilebilmektedirler (Acar et al, 2005). Manyetize edilen parçacıklar manyetik alanı satüre etmek üzere hareket ederler ve böylelikle ferroakışkan paketlerini oluştururlar. Manyetik alanın varlığının aynı zamanda baz sıvının akışkanlık özelliklerini de değiştirmesi beklenir (Martsenyuk, 1980).
Ferroakışkanlar güçlü manyetik kuvvetler altında dahi akışkan özelliklerini korurlar. Özenli geliştirilen ferroakışkanlar, demanyetizasyon anında tersinir olarak ilk durumlarına geri dönebilmektedirler (Pamrnc 2006). Yüzey-aktif maddeler nanoakışkanlara uzun ömür ve stabilite sağlayan maddelerdir. Parçacıklar, topaklanmayı önlemek ve kolloid durumu korumak için yüzey-aktif maddelerle kaplanmalıdır (Zhu, Cheng ve Mao, 2011). Yüzey-aktif maddelerin özellikleri ve miktarı sıvıların uygulama alanları doğrultusunda ayarlanabilir (Dababneh & Ayoub, 1995).
Ferroakışkanların gündeme gelişi manyetik hareketlendirmenin akışkan ve hidrolik sistemlere entegre edilmelerine da imkan vermiştir ve fiziksel temassız hareketlendirmenin avantajı kullanıma açılmıştır. Mikro akışkan uygulamalarında manyetik alanların kullanımı uygulanacak güç tasarrufunu geliştirmek ve istenmeyen iletişimleri önlemek adına verimli manyetik alan üretimini gerektirmektedir. Manyetik alan topolojüerinin teorik optimizasyonu kaçınılmaz olmakla birlikte gerçek hayattaki en optimal tasarımlanıl farkında olmak da arzu edilen mühendislik başarılarından birisi olacaktır.
Mikrokanallarda ferroakışkanların manyetik yönlendirilmesi mikroakışkanlar komünitesi tarafından yeterli ilgiyi henüz görememiş olsa da bu başardı yöntem çok çeşitli avantajlar sunmaktadır. Manyetik yönlendirme manyetik olmayan ortamlarda manyetik parçacıkların kontrolüne olanak sağlarken yük, PH değerleri ve sıcaklık değişimlerinden de etkilenmemektedir (Panrnıe 2006, Tsai et al. 2009). Manyetik indikatörlerle işaretlenmiş numunelerin ve parçacıkların düzgün manyetik manipülasyonlarının mümkün olduğu kanıtlanmıştır (Afshar et al. 2009, Wang et al. 2007). Ferroakışkan paketlerinin kullanımıyla demir içermeyen akışkanların da manyetik manipülasyonla dolaylı olarak yönlendirilmeleri mümkün kılınmıştır (Pamme 2006, Song et al. 2007). Manyetik hareketlendirme ölçekten bağımsız olmakla birlikte daha küçük fiziksel düzeylerde daha verimlidir. Manyetik manipülasyonla nano seviye manyetit kristallerinden mikron seviye biyolojik numunelere kadar yönlendirme yapılabilir. Bu tarz yönlendirmeler devamlı olarak çalışılmakta ve elde edilen sonuçlar gelişmektedir (Wang et al. 2007). Mikroalışkanlardaki gelişmeler biyoteknolojik ve tıbbi prosesleri önemli ölçüde geliştirmiştir. Numune miktarı, tutar, zehirli madde kullanımı azalırken taşınabilirlik ve bütünleşiklik artmıştır. Mikroakışkanların biyolojik uygulamalarını geliştirmenin önkoşulu mikro-nano seviyede biyo-malzemelerin özenli manipülasyonudur (Derec et al. 2010). Yeni pompa metodlarının geliştirilmesi tam, ilaç şevki ve lab-on-chip (yonga üzerinde laboratuvar, Lien et al. 2009, Laeharme, Vandevyver ve Gijs, 2009, Chen et al. 2011) gibi biyomedikal uygulamaları doğrudan geliştirmektedir. Yeni aktivasyon metodları sayesinde güvenilirlik, cihaz uyumu ve biyolojik uyumluluk geliştirilmiştir (Tsai et al. 2009).
Demir oksit gibi genellikle nano parçacık olarak kullanılan numuneler çoğunlukla vücut içinde çözünebilir olmaktadır (Acar et al. 2005). Bu sebeple kimyasal analizlerde ve biyomedikal uygulamalarda kullanımlar kısıtlanmamaktadır. Çok güçlü mıknatıslar ve çok küçük indüktörler zaten piyasada bulunmakta olduğundan bu malzemeleri kullanan sistemlerin geliştirilmesi çok masraflı olmamaktadır (Ando et al. 2011).
Manyetik kuvvetleri aktivasyon metodu olarak kullanan mikroakışkan kontrol yapılan gerçekçi olarak tasarlanıp üretilebilmektedir. Manyetize edilebilen akışkanlar, değişken manyetik alanlarla pompalanabilir ya da konumlandırılabilir. Bu teknikle manyetik ya da manyetik olmayan nesnelerin proses edilmesi mümkün kılınmaktadır.
Ferroakışkan paketlerinin manyetizasyonu pompa sistemlerinde kullanılabilen geçerli yöntemlerden biridir. Bu sistemler dışarıdan manyetik alanlarla aktive edilir. Bu yöntem cihaz tasarımım basitleştirmekte ve tutan düşürmektedir. Manyetize edilen ferroakışkan paketleri, birbirine karışmayan sıvılar kullanılması durumunda, diğer manyetik olmayan sıvıların yönlendirilmesinde kullanılabilmektedirler (Pamme 2006, Song et al. 2007).
Araştırma grubumuzun çalışmalarında değişken manyetik alanlarla aktive edilen bir manyetomekanik pompa sistemi geliştirilmiş ve motive edici sonuçlar elde edilmiştir (Bilgin et al. 2011a, Bilgin et al. 2011b, Kurtoğlu et al. 2011, Kurtoğlu et al. 2012, Şeşen et al. 2012). Deney sonuçlan bahsedilen mikro pompa uygulamasıyla önemli debilerin (50 pl/s den fazla) elde edilebildiğini göstermiştir (Şekil 1). önerilen manyetik eyleme metodu kanıtlanmış ve elektromekanik, elektrokinetik, and piezoelektrik eylemeye dayanan mikropompalama metodlarına güçlü bir alternatif olarak sunulmuştur. Haraketli parça içermeyen bu tür mikropompaların mikro/nano ölçekte gereksinim duyulan akış debilerini üretebileceği kanıtlanmıştır. Bu çalışmalarımızdan gelen motivasyonla bu alandaki araştırmayı derinleştirebilmek, daha fazla bilgi, anlama ve katkı sağlayabilmek adına, araştırmalarımız değişen manyetik alanlarla ferroakışkan yönlendirmesi üzerine yoğunlaşmaktadır.
KAYNAKÇA
• ACAR, H., Y, Garaas, R., S., Syud, E, Bonitatebus, P., Kulkarni, A., M., Superparamagnetic Nanopartides Stabilized by Polymerized PEGylated Coatrngs. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 293, 1-7, (2005).
■ AFSHAR, R., Lehnert, X, Moser, Y, Gijs, M., A., M., Magnetic Partide Dosing, Release and Separation in a Microfluidic Chip with Magnetic Actuation. Transducers, Denver, CO, USA, (2009).
• ANDO, B., Baglio, S., Beninato, A., Non- invasive Implementation of Pumping Mechanism in Pre-existing Capillary. IEEE Sensors 2009 Conference, (2009).
■ ANDO, B., Salvatore, B., Beninato, A., An IR Methodology to Assess the Behavior of Ferrofluidic Transducers Gase of Study: A Contacüess Driven Pump. IEEE Sensors Journal, 11:1, (2011).
■ BİLGİN, A, Kurtoğlu, E., Erk, H.C., Yagd-Acar, H.F., Koşar, A, A Novel Magnetomechanical Pump to Actuate Ferrofluids in Microchannels. Thermal and Materials Nanosdence and Nanotechnology 2011, TMNN2011, May29- JuneO3, Antalya, Turkey, (201 la).
• BİLGİN, A., Kurtoğlu, E., Erik, H.C., Yagd-Acar, H.F., Koşar, A., Magnetic Nanopartide Based Nanofluid Actuation with Dynamic Magnetic Fields. Proceedings af the ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, ICNMM 9, June 19- 22, Edmonton, C anada, ICNMM2011-58222, (201 lb).
• CHEN, H., Abolmatty, A, Faghri M., Microfluidic Inverse Phase ELISA via Manipulation of Magnetic Beads. Microfluidics Nanofluidics. 10, 593-605, (2011).
• DABABNEH, M., S., Ayoub, N.,Y, The Effect of Oleic Add on the Stability of Magnetic Fenofluid. IEEE Transaction on Magnetics, 31,4178-4180, (1995).
• DEREC, C., Wilhelm, C., Servais, J., Bacri, J. C., Local Control of Magnetic Objects in Microfluidic Channds. Microfluidics Nanofluidics, 8, 123-130, (2010).
• KURTOĞLU, E., Bilgin, A., Erk, H.C., Yagd-Acar, H.F., Sesen, M.,Koş ar, A., Implementation of a Simplifled Method for Actuation of Ferrofluids. 3rd Micro and Nanoflows Conference, Paper no: 26, MNF 2011, August22-24, Thessaloniki, Greece, (2011).
■ KURTOĞLU, E., Bilgin, A., Misirlioglu, I.B., Yîldiz, M., Acar, H.EY, Koşar, A., Development of Magnetic Pumps Based on Fenofluid Actuation with Varying Magnetic lîdds for Micropumping Applications. Microfluidics Nanofluidics, 23,683-694,(2012).
• LIEN, K. Y, liu, G. J., Iin, Y. C,„Kuo, P. L., Lee, G. B., Extraction of Genomic DNA and Detection of Single Nudeotide Polymorphism Genotyping Utiii ng an Integrated Magnetic Bead-based Microfluidic Platform. Microfluidics Nanofluidics, 6,539-555, (2009).
• MARTSENYUK, M., A, A Dissipative Process in Fenofluid in Non- homogenous Magnetic Eield. IEEE Transactions on Magnetics, 16,298-300, (1980).
• PAMME, N., Magnetism and Microfluidics. Lab on a chip, 6,24-38, (2006).
• SONG, W., Ding, Z., Son, C., Ziaie, B., A Dynamic Ferrofluid Platform for Micromampulation, MEMS 2007, Kobe, Japan, (2007).
■ ŞEŞEN, M., Sendur, K, Menguc, M.P., Yagd, Acar, H.F., Koşar, A, A Heat Rem oval System with the Actuation of Magnetic Nanopartides. Journal of Applied Fhysics, 112, 064320, (2012).
■ TSAI, K., L., Pickard, D., Kao, J., Yın, X., Leen, B., Knutson, K., Kant, R., Howe, R., T, Magnetic Nanopartide-driven Pumping in Microchannels, Transducers 2009, Denver, CO, USA, (2009).
• WANG, Y, Zhao, Y, Gho, S. K., In-drqplet Magnetic Beads Goncentration and Seperation for Digital Microfluidics. Transducers& Eurosensors’07: The İ4th International Conference on Solid-state Sensors, Actuators and Microsystems. Lyon, France, (2007).
• ZHU, T, Cheng, R., Mao, L., Focusing Micropartides in a Microfluidic Chaımel with Ferrofluids. Microfluidics Nanofluidics, doi:10.1007/sl0404- 011-0835-0,(2011).