Studies of droplet behavior in emerging technologies
Authors: Βασιλείου Θωμάς 
Published: September 2024

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη μελέτη της συμπεριφοράς των σταγονιδίων στο πλαίσιο δύο τάξεων αναδυόμενων τεχνολογιών, αρχικά στην ανάπτυξη ελαστικών υπερυδρόφοβων ή παγοφοβικών υλικών με εξαιρετική απόδοση και μετέπειτα με την πραγματοποίηση ακουστοφορητικής επιμόλυνσης DNA χωρίς επαφή. Για τον σκοπό αυτό, πρώτα εξετάζουμε τις συνεργατικές επιδράσεις της ευκαμψίας, της τραχύτητας της δομής και της χημικής σύνθεσης του υποστρώματος στην ενίσχυση της υπερυδροφοβίας και της παγοφοβικότητας της επιφάνειας, όπως ορίζονται από την αντίσταση διαβροχής, τον χρόνο επαφής και τον συντελεστή αποκατάστασης, και εφαρμόζουμε τις αποκτηθείσες γνώσεις στον επανασχεδιασμό υπερυδρόφοβων και παγοφοβικών υλικών για απώθηση υπέρψυκτων σταγονίδιων. Στη συνέχεια, διερευνούμε τη χρήση ακουστικοφορητικής δύναμης για την ανέπαφη επεξεργασία σταγονιδίων που περιέχουν ζωντανά κύτταρα και σχεδιάζουμε έναν βιολογικό αντιδραστήρα κατάλληλο για τη διεξαγωγή πειραμάτων επιμόλυνσης DNA χωρίς επαφή με δοχεία. Τα εύκαμπτα υλικά είναι πανταχού παρόντα στην καθημερινή ζωή και την τεχνολογία, από υφάσματα μέχρι φτερά εντόμων και φύλλα φυτών. Ωστόσο, η επίδραση της ελαστικότητας των υπερυδρόφοβων επιφανειών στη δυναμική της πρόσκρουσης των σταγονιδίων δεν είναι καλά κατανοητή. Η ιδέα που διερευνάται εδώ είναι πώς η ευκαμψία του υποστρώματος—όπως ορίζεται από το μέτρο ελαστικότητας, τον συντελεστή απόσβεσης και την πυκνότητα του υλικού—μπορεί να λειτουργήσει σε συνεργασία με τη χημεία και τη δομή της επιφάνειας προκειμένου να ενισχυθεί η υπερυδροφοβικότητα. Τα πειράματα πρόσκρουσης σταγονιδίων αποκαλύπτουν ότι ο ορθολογικός σχεδιασμός της ευκαμψίας είναι ικανός να επιτύχει βελτιωμένη απωθητικότητα σταγονιδίων, όπως χαρακτηρίζεται από την αντίσταση στη διαβροχή και τη διάσπαση, τη μείωση του χρόνου επαφής και την αύξηση του συντελεστή αποκατάστασης των προσκρούμενων σταγονιδίων. Η μείωση της πυκνότητας και η αύξηση της ελαστικότητας του υποστρώματος προσδίδει άμεση απόκριση στο υπόστρωμα για κρούση σταγονιδίων, μετριάζοντας τη σύγκρουση και μειώνοντας την πιθανότητα διαβροχής χωρίς την ανάγκη ενεργού μηχανισμού. Τα προαναφερθέντα αποτελέσματα για τη δυναμική κρούση σταγονιδίων εξορθολογίζονται μέσω της κατάλληλης μοντελοποίησης και παραδειγματίζονται από ανθρωπογενή και φυσικά υλικά. Η προηγούμενη γνώση του χειρισμού σταγονιδίων με εύκαμπτα υποστρώματα εφαρμόζεται στη συνέχεια στον σχεδιασμό παγοφοβικών υλικών. Το συσσώρευση πάγου είναι σύνηθες φαινόμενο σε εξοπλισμό εγκατεστημένο σε εξωτερικούς χώρους και μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση της απόδοσης, π.χ. σε πτερύγια ανεμογεννητριών και ηλεκτρικές γραμμές, και σοβαρός κίνδυνος για την ασφάλεια, π.χ. στην αεροπορία. Εύκαμπτα υπερυδρόφοβα υλικά σχεδιάστηκαν για να απορροφούν την ενέργεια των εισερχόμενων σταγονιδίων και να ενισχύουν την κινητικότητα των σταγονιδίων απελευθερώνοντας την απορροφούμενη ενέργεια αργότερα. Η σχεδίαση βελτιστοποιήθηκε με τη χρήση σταγονιδίων υψηλής ιξώδους (μιμούμενη το ιξώδες του υπερψυκτικού νερού), όπως η γλυκερίνη και το μέλι, που δεν αναπηδούν από άκαμπτες υπερυδρόφοβες επιφάνειες. Στη συνέχεια, η αποτελεσματικότητα των επιφανειών επικυρώθηκε με σταγονίδια νερού σε υπέρψυκτες θερμοκρασίες. Η μερική στερεοποίηση των υπέρψυκτων σταγονιδίων παρουσία σωματιδίων στην επιφάνεια που προάγουν τη δημιουργία πυρήνων πάγου δεν εμπόδισε τα μερικώς στερεοποιημένα σταγονίδια από το να αναπηδήσουν, επιδεικνύοντας έναν παθητικό μηχανισμό για την απόρριψη ιλύων παγωμένου νερού. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας τεκμηριώθηκαν χρησιμοποιώντας την κατάλληλη μοντελοποίηση. Αναφορικά με τον χειρισμό των σταγονιδίων χωρίς επαφή, η ακουστική μεταχείριση (ακουστοφόρηση) έχει επιδείξει τη μετακίνηση στερεών σωματιδίων και σταγονιδίων στο επίπεδο, μεταβάλλοντας το ακουστικό πεδίο χωρικά και χρονικά. Επομένως, η ακουστοφόρηση παρέχει τη δυνατότητα της μετακίνησης και να ανάμειξης σταγονιδίων με όγκο από ένα έως πολλά μικρολίτρα, αποφεύγοντας τη μόλυνση ή την απώλεια αντιδραστηρίων στα τοιχώματα του δοχείου. Αυτό καθιστά την ακουστική μεταχείριση ελκυστική σε εφαρμογές στη χημεία, τη μηχανική και τη βιολογία. Εδώ, στοχεύοντας σε βιολογικές εφαρμογές, παρουσιάζεται μια ακουστικοφορητική διάταξη, ικανή να χειρίζεται εναιωρήματα ζωντανών κυττάρων και πλασμιδίων DNA σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον και να εξάγει τα αναμεμιγμένα διαλύματα σε πλάκες καλλιέργειας κυττάρων. Η κυτταρική βιωσιμότητα της διαδικασίας αξιολογείται ανιχνεύοντας διαταραχές στη νευρωνική διαφοροποίηση ενός κυτταρικού μοντέλου ευαίσθητου ακόμη και σε μικρά επίπεδα τοξικότητας. Η ανέπαφη διαμόλυνση DNA απλών ή διπλών πλασμιδίων εκτελείται στην ακουστικοφορητική διάταξη και συγκρίνεται με μεθόδους που βασίζονται σε δοχεία προκειμένου να αποδειχθούν οι δυνατότητές της.