شبیه‌سازی زنجیره پلیمری دوسرگیردار در میکروکانال با استفاده از روش دینامیک ذرات اتلافی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسنده

هیئت علمی، دانشگاه صنعتی شاهرود، دانشکده مکانیک

چکیده

در این مقاله، از روش دینامیک ذرات اتلافی جهت شبیه‌سازی زنجیره پلیمری دوسر گیردار در یک میکروکانال با توجه به حرکت سیال توسط میکروپمپ الکرواسموتیک و اثر پارامترهای موثر بر جابجایی زنجیره پلیمری بررسی خواهد شد. از آنجایی که در این شبیه‌سازی سیال توسط ریز پمپ براساس قاعده جریان الکترواسموتیک رسانش شده، پارامترهای متاثر همانند پارامتر اثر غلظت یونی، میدان الکتریکی اعمال شده، اثر جنس سطح یا زتا پتانسیل بررسی و تحلیل و اعتبار سنجی شده است. در ادامه، یک زنجیره پلیمری در کانال قرار داده شده بصورتی که دو انتهای آن ثابت می‌باشد و جریان سیال سبب خواهد شد که زنجیره پلیمری جابجا شود. نشان داده می‌شود که میزان جابجایی زنجیره علاوه بر متاثر بودن از پارامترهای جریان الکترواسموتیک به پارامترهای اصلی زنجیره پلیمری همانند تعداد گوی‌ها و خاصیت الاستیسه مابین گوی‌ها بستگی داشته و بهترین پارامتر کنترل و همچنین جهت حرکت زنجیره پلیمر در حین عملکرد، میدان الکتریکی است. نشان داده شده است که با تغییر میدان الکتریکی از 50 به 150 ولت بر متر بازای 20 گوی میزان جابجایی زنجیره دوبرابر افزایش نموده در حالی که اگر تعداد گوی ها به 40 عدد اضافه شود در ولتاژ 100 ولت بر متر میزان جابجایی حدود 3 برابر افزوده خواهد شد. همچنین اثر موقعیت نصب نیز بررسی شده و نشان داده شده است با تغییر موقعیت نصب از مختصاد عمودی 4 و 4- به 9/5 و -9/5 میکرومتر، بازای جابجایی زنجیره یکسان، میزان میدان الکتریکی به نصف کاهش یافته و میزان نوسان کمتر میشود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Laser DJ, Santiago JG (2004) A review of micropumps. J Micromech Microeng 14: 6.

[2] Buguin A, Li MH, Silberzan P, Ladoux B, Keller P (2006) Micro-actuators: when artificial muscles made of nematic liquid crystal elastomers meet soft lithography. J Am Chem Soc 128: 1088-1089.

[3] Hilber W (2016) Stimulus-active polymer actuators for next-generation microfluidic devices. J Apply Phys 122: 751.

[4] Bruin GJM (2000) Recent developments in electrokinetically driven analysis on microfabricated devices. J Electrophoresis 21: 3931-3951.

[5] Ilievski F, Mazzeo AD, Shepherd RF, Chen X, Whitesides GM (2011) Soft robotics for chemists. J Angew Chem Int Ed 50: 1890-1895.

[6] Karniadakis G, Beskok A, Aluru N (2005) Microflows and nanoflows fundamentals and simulation. Textbook, Springer, New York.

[7] Tseng S, Tai Y-H, Hsu J-P (2013) Electrokinetic flow in a pH-regulated,cylindrical nanochannel containing multiple ionic species. J Microfluid Nanofluidics 15: 847-857.

[8] Marconi UMB, Monteferrante M, Melchionna S (2014) Electro-osmoticflow in coated nanocapillaries: A theoretical investigation. Phys Chem 16: 25473-25482.

[9] De S, Bhattacharyya S, Hardt S (2015) Electroosmotic flow in a slit nanochannel  with super hydrophobic walls. J MicrofluidNanofluidics 19: 1465-1476.

[10] Sadeghi M, Saidi MH, Sadeghi A (2017) Electroosmotic flow and ionic conductance in a pH-regulated rectangular nanochannel. J Phys Fluids 29: 62002.

[11] Wang M, Kang Q (2009) Electrokinetic Transport in Microchannels with Random Roughness. J Anal Chem 81: 2953-2961.

[12] Wang X, Cheng C, Wang S (2009)  Electroosmotic pumps and their applications in microfluidic systems. J Microfluid Nanofluidics  6: 145-162.

[13] Cao Z, Yuan L, Liu Y-F, (2012) Microchannel plate electro-osmotic pump. J Microfluid Nanofluidics 13: 279-288.

[14] Gao M, Gui L (2016) Electroosmotic flow pump by and advances in micro fluidics–new applications in biology, energy, and materials sciences.

[15] Gao M, Gui L (2014) A handy liquid metal based electroosmotic flow pump. J Lab Chip 14: 1866-1872.

[16] Bonome EL, Cecconi F, Chinappi M (2017) Electroosmotic flow through an hemolysin nanopore. J MicrofluidNanofluidics 21: 96.

[17] Dasgupta PK, Liu S (1994) Electroosmosis: A reliable fluid propulsion system for flow injection analysis. J Anal Chem 66:1792-1798.

[18] Kirby BJ, Shepodd TJ, Hasselbrink F (2002) Voltage-addressable on/offmicrovalves for high-pressure microchip separations. J Chromatogr A 979: 147-154.

[19] Patel KD, Bartsch MS, McCrink MH (2008) Electro kinetic pumping of liquid propellants for small satellite microthrusterapplications. J Sensors Actuators B 132: 461-470.

[20] Piyasenaa ME, Newbya R, Millera TJ, Shapirob B, Smelaa E (2009) Electroosmotically driven microfluidic actuators. Sens Actuators B: Chem 141(1).

[21] Duong-Hong D, Wang J-S, Liu GR (2008) Dissipative particledynamics simulations of electroosmotic flow in nano-fluidic devices. J MicrofluidNanofluidics 4: 219-225.

[22] Bianchi F, Ferrigno R, Girault HH (2000) Finite element simulation of anelectroosmotic-driven flow division at a T-junction of micro scaled imensions. J Anal Chem 72: 1987-1993.

[23] Gao Y, Wong TN, Chai JC (2005) Numerical simulation of two-fluidelectroosmotic flow in microchannels. J Int J Heat Mass Transf 48: 5103-5111.

[24] Shamloo A, Madadelahi M, Abdorahimzadeh S (2017) Three-dimensional numerical simulation of a novel electroosmotic micromixer. J Chem Eng Process Intensif 119: 25-33.

[25] Zimmerman WB, Rees JM, Craven TJ (2006) Rheometry of non-newtonian electrokinetic flow in a microchannel T-junction. J Microfluid Nanofluidics 2: 481-492.

[26] Tessier F, Slater G (2005) Control and quenching of electroosmoticflowwith end-grafted polymer chains. J Macromolecules 38: 6752-6754.

[27] Hoogerbrugge PJ, Koelman JMVA (1992) Simulating microscopic hydrodynamic phenomena with dissipative particle dynamics. J Europhys Lett 19: 155-160.

[28] Steiner T, Cupelli C, Zengerle R (2009) Simulation of advanced microfluidic systems with dissipative particle dynamics. J Microfluid Nanofluidics 7: 307-323.

[29] Groot RD, Warren PB (1997) Dissipative particle dynamics: bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation. J Chem Phys 107: 4423-4435.

[30] Duong-Hong D, Phan-Thien N, Fan X (2004) An implementation of noslipboundary conditions in DPD. J Comput Mech 35: 24-29.

[31] Zakeri R, Lee ES (2014) Simulation of nano polymer chain sensor in electroosmotic flow using dissipative particle dynamics (DPD) method. ASME, International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Montreal, Quebec, Canad.

 [32] Chatterjee A, Wu L (2008) Predicting rheology of suspensions of spherical and non-spherical particles using dissipative particle dynamics (DPD): methodology and experimental validation. J Mol Simul 34(3): 243-250.

[33] Zhou Y, Long X, Zeng Q (2012) Effect of the angular potential on the temperature control in dissipative particle dynamics simulations. J Mol Simul 38(12): 961-969.

[34] Mukhopadhyay S, Abraham J (2009) A particle-based multiscale model for submicron fluid flows. J Phys Fluids 21: 027102.

[35] Nikunen P, Karttunen M, Vattulainen I (2003) How would you integrate the equations of motion in dissipative particle dynamics simulations? J Comput Phys Commun 153: 407-423.

[36] Tian F, Li B, Kwok Y (2004) Lattice Boltzmann simulation of electroosmotic flows in micro- and nanochannels. In: Proceedings of International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems (ICMENS). Alberta, Canada, pp 294–299.