Fononik kristallerin yüzey akustik dalgaları ile nanoparçacık ayrıştırmada kullanımı
Utilization of phononic crystals in nanoparticle sorting via surface acoustic waves
Yazar: ALİ ERTUĞRUL
Danışman: PROF. DR. AHMET ÇİÇEK
Burdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında bir piezoelektrik malzeme yüzeyine kare veya üçgen örgü düzeninde açılan halka şekilli oyuklardan oluşan iki boyutlu piezoelektrik fononik kristaller ile 100 nm mertebesinde boyutlara sahip küresel parçacıkların boyutlarına göre ayrıştırılıp sınıflandırılması sayısal olarak incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) kullanılarak yapılan hesaplamalar ile 10 m civarında periyoda sahip fononik kristalin 100 MHz civarında %5 genişliğe sahip band aralığı sergilediği belirlenmiştir. Genişlikleri 5m ile 15m arasında doğrusal değişen 11 çift parmağa sahip iç içe geçmiş taraklı transdüser (IDT) kullanılarak 100 MHz etrafında yaklaşık 10 MHz band genişliğinde Rayleigh yüzey akustik dalgası (YAD) üretilebileceği FEM simülasyonları ile gösterilmiştir. IDT ile
fononik kristal arasında dalga boyunun (yaklaşık 40 m) tam katı olacak biçimde boşluk bırakılarak yapılan hesaplamalarda IDT-fononik kristal arasında durağan YAD oluşumu ortaya konulmuştur. Piezoelektrik yüzeyine 35 m genişliğe ve yüksekliğe sahip mikro kanal içeren polidimetilsiloksan (PDMS) kalıp konulduğunda, mikro kanaldaki akışkan içerisinde enine kesitte akustik alan kanal merkezinde maksimum basınç sergilerken, merkez etrafında simetrik düğüm noktaları oluşmaktadır. Mikro kanala gönderilen farklı büyüklüklerde küresel nanoparçacıklara etkiyen akustik ışıma ve sürüklenme kuvvetleri bir arada hesaplanarak parçacıkların yörüngeleri zamana bağlı elde edilmiştir. Kanal uzunluğu boyunca düğüm noktalarına doğru itilen ve merkez bölgede kalan parçacıkların yarıçap
dağılımı analiz edilerek mikro akışkan sistemin ayırım gücü ve ayırım için kesme yarıçapı hesaplanmıştır. Tez çalışması sonuçları, eksozomlar gibi hücrelerden salınan nanokeseciklerin ve nanoölçekli diğer biyomateryalin tespit ve analiz edilmesinde kullanılabilir.

Abstract:
In this thesis, size-based separation and classification of spherical particles with dimension on the order of 100 nm by means of two-dimensional phononic crystals, which are composed of annular grooves on a piezoelectric substance with square or triangular lattice geometry, are numerically investigated. Through calculations employing the Finite Element Method (FEM), it is determined that the phononic crystal with a period around 10 µm exhibits a band gap with 5% width around 100 MHz. It is also demonstrated through FEM simulations that Rayleigh surface acoustic waves (SAWs) with 10 MHz band width around 100 MHz can be generated via an interdigital transducer (IDT) having 11 finger pairs whose widths linearly vary between 5 m and 15 m. As a result of calculations where the IDT-phononic crystal spacing is set to an integer multiple of the wavelength (approximately 40 m), standing SAW formation in the IDT-phononic crystal gap is exhibited. When a polydimethylsiloxane (PDMS) mold containing a microchannel whose
width and height are 35 m is placed on piezoelectric surface, symmetric nodes are observed around the center, while the acoustic field in the cross-section of the fluid in the microchannel has maximum pressure at the channel center. By simultaneously calculating the acoustic radiation and drag forces acting on spherical nanoparticles with different sizes released to the microchannel, time-dependent trajectories of the particles are obtained. Radius distribution of particles that are pushed towards the nodes along the length of the channel and of the ones remaining in the central region are analyzed, where the separation efficiency of the microfluidic system and the threshold radius for separation are calculated. Thesis results can be used to detect and analyze nanovesicles such as exosomes released from cells, as well as other nanoscale biomaterials.