Mikrofluidika

Mikrovoolutus ehk mikrofluidika (inglise keeles "microfluidics") on teadusharu, mis tegeleb seadmetega, milles on voolis mikroskoopilises koguses. Sõna "mikro" viitab ülekandeks kasutatavate kanalikeste mikroskaalas (0,1–100 mikronit) olevaile mõõtmeile. Terve seadme väiksemõõtmelisus ei olegi nii oluline kui see, et seadme osa, kus vedelikku hoitakse, oleks miniatuurne. Väikestel vedelikukogustel ilmnevad teistsugused ning kasulikud omadused võrreldes vedeliku suuremate kogustega. Vedeliku maht mikrovoolutites ulatub pikoliitritest mikroliitriteni. Mikrovoolutus on interdistsiplinaarne teadusharu, ühendades inseneriteadust, analüütilist keemiat, biokeemiat ja keemiatehnoloogiat jne.
Ajalugu.
Mikrovoolutus hakkas arenema 1980. aastatel tekkinud ränipõhiste mikrotehnoloogiate meetodite ja kompetentsi baasilt. Vastavad insenerid otsisid võimalusi asuda miniaturiseerima vedeliksüsteeme. 1980. aastate lõpul valmistati räni baasil seadmeile mikroklappe, mikropumpasid ja voolise voolumahu andureid, millesse olid aktuaatorid (mehaanilise jõu allikad) juba sisse ehitatud. Selliste seadmete maksimaalne võimsus oli piiratud aktuaatori suurusega, sest aktuaatori väiksemaks tegemine vähendab ka selle võimsust.
1990. aastate keskpaigas alustati uute aktiveerimismeetodite otsinguid. Võeti kasutusele sellised mittemehaanilised põhimõtted nagu elektrokineetiline pumpamine, elektromagnetilised jõud ja pinna pingetest põhjustatud voolamine, mis makrotasandil ei ole piisavalt mõjusad, aga mikrotasandil on neil eelised.
Samuti toimus 1990. aastate keskel muutus seadmete valmistamise alal, mil valdkonna vastu hakkasid suuremat huvi üles näitama keemikud. Räni mikrolõikamine asendus polümeerse pinna mikrolõikamisega, sest räni substraadile mahub vähem mikrovoolutuse seadmeid kui mikroelektroonika seadmeid, mis viib seadme suurenemisele. Mikrovedelikseadmeid mahub vähem sellepärast, et mikroelektroonikas toimub elektronide ülekanne, mikrovedelikseadmetes aga suuremate molekulide liikumine mikrokanalites. Ühekordselt kasutatavates seadmetes kasutamiseks on räni ka kallis. Lisaks hakati keskenduma mikroseadmete funktsionaalsusele ja võimalikult lihtsale ülesehitusele ning ei integreeritud mikroseadmesse aktiveerivaid seadmeid ja sensoreid. Sellised mikroseadmed ühitati vahetatavate detailidena erinevate tööriistadega.
Hüdromehaanika üldmõisted.
Voolis.
Voolis ehk fluidum on substants, mis deformeerub pidevalt talle rakendatava tangentsiaal- ehk nihkepinge all. Tahke keha erinevalt voolisest deformeerub jõu mõjul, kuid jõu lakkamisel taastab ta endise kuju. Voolise kiht jääb aga jõu lakates deformeeritud olekusse ning pinge edasisel rakendamisel deformeerub edasi.
Newtoni vedelik.
Newtoni vedelikus on nihkepinge ja deformatsiooni kiirus omavahel lineaarses sõltuvuses. Viimane tingib ka mittelibisemise tingimuse piirpinnal, mis tähendab, et vedelik on piirpinnal mitteliikuv ehk siis vedeliku kiirus piirpinna suhtes on null.
Knudseni arv.
Knudseni arvul on gaaside dünaamikas väga suur tähtsus. Arv näitab, kui hõre on gaasi voolamine ehk siis, kui väike on tiheduse ja voolamise pikkusmõõtme suhe.
formula_1 , kus λ on keskmine vaba tee pikkus ja L on voolamise pikkusmõõtme karakteristik.
Voolise käitumine mikrotasandil.
Nii gaasid kui ka vedelikud moodustavad vooliste rühma. Üldjuhul eeldatakse, et voolav aine on pidev selle igas punktis. Kui voolised pannakse aga voolama mikrokanaleisse, siis võivad voolava aine omadused makroskoopilises koguses oleva voolise omadustest oluliselt erineda. Aine tihedus võib ruumis eri osades olla erinev. Gaaside ja vedelike erinevaid vooluomadusi on kirjeldatud.
Gaasid.
Gaaside puhul näitab Knudseni arv, kuidas gaas käitub, kui talle mõjub mingi väline jõud: Kui Knudseni arv on väiksem kui 0,001, siis piisab lähendusest, et keskkond on pidev. Kehtib eeldus, et voolis kleepub voolates anuma seinale.
Kui Knudseni arv on 0,001 ja 0,1 vahel, siis kehtib pideva keskkonna lähendus voolu piiridest (anuma seinast) kaugemal, voolu piiril aga toimub libisemine piirpinna suhtes. Piirpinna suhtes libisevad molekulid põhjustavad pinna kuumenemist. Sellisel juhul tuleb võtta arvesse piiritingimuse muudatus ning siis kehtib jälle pideva keskkonna lähendus.
Kui Knudseni arv on 0,1 ja 10 vahel siis on voolav gaas vahepealses olekus, kus ta ei käitu pideva keskkonnana, aga temas on piisavalt palju molekulidevahelisi põrkeid, et teda ei saa vaadelda ka vabade molekulide voolamisena. Sellisel juhul tuleb rakendada Monte Carlo meetodeid.
Kui Knudseni arv on suurem kui 10, siis võib vaadelda gaasi vabade molekulide voolamisena, kus kahe molekuli kokkupõrge on haruldane.
Vedelikud.
Vedelike jaoks ei ole väliste jõudude mõju määramiseks samalaadset parameetrit kui Knudseni arv gaaside puhul.
Enamasti käitub vedelik pideva keskkonnana ning voolu piiril ei toimu libisemist ning temperatuurihüpet, sest vedeliku molekulid on tihedalt pakitud. Voolamise analüüsil on võimalik kasutada tavalist pideva keskkonna analüüsi.
Kui voolu pikkuse mõõde on suurem kui 10 nm, siis peaks vedelik käituma pideva keskkonnana.
Kui vedelikule mõjub eriti suur nihkepinge, siis ei käitu vedelikud enam Newtoni vedelikena ning sel juhul tuleb seda analüüsimisel arvesse võtta.
Väikese vedelikukoguse eelised.
Vedeliku mikroskoopilistel kogustel mikrovedelikseadmetes on olulised eelised. Näiteks saab vedeliku voolamist manipuleerida elektriväljaga. Kui vedelikul ja kanalil, kus vedelik voolab, on sobiv keemiline koostis, moodustub kanali seinal nendest elektrivälja mõjul elektriline kaksikkiht. Kui elektriline kaksikkiht juba eksisteerib, saab seda elektrivälja kasutades rakendada elektro-osmootse pumbana. Sarnane nähtus ilmneb ka osakeste korral, mis on sukeldatud vedelikku, juhul kui vedelik ja osake on omavahel keemiliselt sobivad. Neid saab liigutada, kasutades elektrilist kaksikkihti ja elektrivälja – protsess, mida nimetatakse elektroforeesiks. Kui vedelikul ja osakesel ei ole elektrilise kaksikkihi moodustumiseks sobiv kompositsioon, aga osake on polariseeritav, saab neid mõjutada elektriväljaga – protsess, mida nimetatakse dielektroforeesiks.
Mikrostruktuuride valmistamise meetodid.
Fotolitograafia.
Kõige tähtsam mikroskoopiliste struktuuride valmistamise meetod on litograafia. Vastavaid meetodeid saab kiire energiatüübi järgi liigitada fotolitograafiaks, elektronlitograafiaks, röntgenlitograafiaks ja ioonlitograafiaks. Kõige enimkasutatavad mikrovedelikseadmete valmistamise metoodikad on fotolitograafia ja röntgenlitograafia. Fotolitograafias kasutatakse kopeerkihina fotosensitiivset valgustundlikku ainekihti ehk fotoresisti. Resisti abil viiakse soovitud muster läbipaistvalt maskilt substraadile. Maskina kasutatakse metallimustriga läbipaistvat klaasplaati.
Muud meetodid mikrostruktuuride valmistamiseks.
Tihti kasutatakse mikrovedelikrakkude valmistamiseks ka aditiivseid meetodeid, mille abil kasvatatakse sobivaid mikrostruktuure keemiliselt aurufaasist, soojuslikult oksüdeerides, füüsikaliselt aurufaasist sadestades või sool-geel-meetodil .
Substraktiivsete meetoditena, mille käigus mikrostruktuurid söövitatakse substraadi pinna sisse, on kasutusel märgsöövitamine , kuivsöövitamine ja füsiko-keemiline söövitamine.
Polümeersete materjalide mikrolõikamise tehnoloogiad.
Kanalite mikrolõikamiseks polümeersesse materjali kasutatakse kõige enim LIGA meetodit, mis sisaldab paksu resisti (kopeerkihi) litograafiat, galvaniseerimist ja mikrovormimist. LIGA on sõnadest "Lithographie", "Galvanoformung", "Abformung" ('litograafia', 'galvaniseerimine', 'vormimine') saadud akronüüm. Peale röntgenlitograafia on suure formaadisuhtega struktuuride tegemiseks ka muid meetodeid.
Polümeerse pinna mikrolõikamine.
Polümeerse pinna mikrolõikamine sarnaneb räni pinna mikrolõikamisega. Polümeerid võivad olla selles tehnoloogias nii struktuursed kui ka söövitatavad materjalid.
Pehme litograafia.
Pehme litograafia on mitteoptiline ülekandemeetod. Kasutatakse elastomeerset templit, mille pinnal on reljeefsed struktuurid. Elastomeerina on edukalt kasutatud polüdimetüülsiloksaani.
Mikrovormimine.
Mikrovormimine võimaldab suure täpsusega suuremahulist polümeersete seadmete tootmist. Peale polümeeride võib seda kasutada ka keraamika jaoks.
Rakendused ja kasutusvaldkonnad.
Mikrovoolutuse seadmetest on kõige tuntum jugaprinteri düüs ning on valmistatud ka rõhusensoreid. Lisaks valmistatakse veel vedeliku juhtimise seadmeid, gaasi ja vedeliku mõõtmise seadmeid, meditsiiniliste proovide teostamiseks sobilikke seadmeid ja meditsiinilisi implantaate (ravimipumpasid). Kõige eelistatumad seadmed on ühekordsed plastikust mikroseadmed.
Kütuseelement.
Mikrovoolutusel põhinevas leeliselektrolüüdiga kütuseelemendis kasutatakse ära vedelike omadust mikrotasemel mitte seguneda. Seega saab samasse mikrokanalisse panna paralleelselt voolama kaks vedelikku. Y-kujulises mikrokanalis ühinevad kütuse ja oksüdeerija joad, mis ei segune, ja jätkavad paralleelset voolamist kahe katalüsaatoriga kaetud elektroodi vahel. See eemaldab vajaduse membraani järele. Tasub teada, et leeliselektrolüüdiga kütuseelemendid on efektiivsemad kui happelised ning membraanipõhised kütuseelemendid ei tööta hästi aluselises keskkonnas. Leeliselektrolüüdiga kütuseelemendi puuduseks on tema tööpõhimõttest tulenev väike suurus ning seega ka väike võimsus, sest suurema seadme korral tema head omadused kaoksid. Samas on võimalik valmistada selliste kütuseelementide maatriksid, mis on võimsamad.