ROZWÓJ POTENCJAŁU DYDAKTYCZNO-NAUKOWEGO MŁODEJ KADRY AKADEMICKIEJ POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ Program Operacyjny Kapitał Ludzki Poddziałanie 4.1.1: Wzmocnienie i rozwój potencjału dydaktycznego uczelni ROZWÓJ POTENCJAŁU DYDAKTYCZNO-NAUKOWEGO MŁODEJ KADRY AKADEMICKIEJ POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ SPRAWOZDANIE Z PRZEBIEGU STAŻU NAUKOWO-DYDAKTYCZNEGO W OKRESIE OD 03.10.2011 DO 30.11.2011 WNIOSEK Nr UMOWA STYPENDIALNA Nr.. NA STYPENDIUM WYJAZDOWE 2 MIESIĘCZNE 1. Stypendysta Projektu: Imię i nazwisko Izabela Augustyniak Stanowisko doktorant Wydział (W-12) Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Zakład (Z-7) Mikroinżynierii i Fotowoltaiki 2. Ośrodek akademicki odbywania stażu naukowo-dydaktycznego: Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych, ul. Wólczańska 221/223 budynek B18, 90-924 Łódź 3. Opiekun naukowy stażysty ze strony jednostki przyjmującej: dr inż. Michał Szermer 4. Temat stażu zgodnie z naukowo-dydaktycznym planem stażu: Modelowanie mikrochipów kropelkowych. Sprawozdanie dotyczy całości stażu naukowo-dydaktycznego odbytego w okresie 2 miesięcy. Biuro Projektu: 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, pok. 153a Tel.: 71 320 38 51; 71 320 46 58; mail: mlodakadra@pwr.wroc.pl Fax: 71 328 63 66
2 S P R A W O Z D A N I E Z P R Z E B I E G U S T A Ż U 5. Omówienie całości osiągniętych rezultatów oraz ich zgodności z naukowo-dydaktycznym planem stażu: Wprowadzenie Celem naukowym stażu było zamodelowanie wybranych struktur mikrochipów kropelkowych. Należało zbadać sposób działania i zoptymalizować parametry zaprojektowanych mikrochipów. Należało przeprowadzić symulację działania mikrochipów w celu zapoznania się z przepływem cieczy w mikroskali. Następnie należało porównać sposoby modelowania w dwóch specjalistycznych programach służących do modelowania mikrosystemów. Wspomagane komputerowo modelowanie numeryczne zjawisk fizycznych, pracy urządzeń w określonych warunkach, itp. jest etapem poprzedzającym masowe wytwarzanie danego urządzenia, a nawet jego prototypu. Modelowanie numeryczne pozwala na zaprojektowanie urządzeń w środowisku wirtualnym, testowanie i ich optymalizację przy braku kosztów związanych z wytworzeniem prototypów i ich testowania w warunkach rzeczywistych. Modelowanie pozwala dostrzec zależności między poszczególnymi parametrami urządzeń, a także pomaga zrozumieć istotę niewyjaśnionych zjawisk fizycznych jakim są na przykład zjawiska dotyczące przepływu cieczy w mikroskali. W mikroskali obserwujemy specyficzny przepływ cieczy, dzięki któremu możliwe jest wytwarzanie powtarzalnych kropel cieczy o objętości pojedynczych nano/pikolitrów zawieszonych w drugiej cieczy. Mikrochipy kropelkowe to miniaturowe urządzenia, które umożliwiają precyzyjne wytwarzanie, przemieszczanie, łączenie i rozdzielanie nano/piko kropel. Wytwarzanie i zarządzanie przepływem kropel w układach mikroprzepływowych jest skomplikowanym zagadnieniem, a techniki wytwarzania mikrochipów zwykle wymagają warunków odpowiadających produkcji mikroelektronicznej. Przed wytworzeniem mikrochipa, niezbędne jest przeprowadzenie wielu testów, analiz i optymalizacja zaprojektowanego mikrochipa, co pozwoli na wykluczenie błędów projektowych związanych z niejednoznacznie określonym zachowaniem się cieczy w mikroskali. Badania nad przepływem w mikroskali obejmują zjawiska, w których znaczącą rolę odgrywa efekt skali, wymagający nowych modeli teoretycznych, numerycznych i metod eksperymentalnych. Dla układów mikrochipów z kanałami o wymiarach poprzecznych nie przekraczających kilkuset mikrometrów, z uwagi na małe wymiary, prędkości przepływu wskutek oporu lepkiego są niewielkie. Prędkość płynu staje się proporcjonalna do przyłożonej siły (ciśnienia) a jej ruch daje się matematycznie opisać liniowym równaniem różniczkowym (Stokesa). Bardzo małe prędkości
3 przepływu oznaczają brak turbulencji, dlatego zachowanie płynów w zminiaturyzowanych systemach przepływowych jest zdominowane przez dyfuzję. Kolejnym istotnym elementem w małych skalach są siły powierzchniowe wynikające z niezrównoważonych oddziaływań molekularnych (Van der Waalsa) na granicach rozdziału dwóch ośrodków. Są to przede wszystkim powierzchnie kanałów i powierzchnie między fazami przepływającej cieczy. Generowane efektami powierzchniowymi siły, zaniedbywalnie małe w makroskali tutaj mogą być wykorzystane do sterowania przepływem na przykład używając na przemian powierzchni zwilżalnych i niezwilżanych, dobierając odpowiedni skład chemiczny cieczy, zmieniając temperaturę cieczy. Napięcie powierzchniowe decyduje o wielkości dozowanych przez mikrochip kropel, a więc również jego zmiana jest wykorzystywana do dawkowania reagentów. Wykorzystując oddziaływania hydrodynamiczne strumieni cieczy konstruowane są mikrosystemy pozwalające z dużą wydajnością generować identyczne krople, układy kropla w kropli jak i wielokrotności takich połączeń. Budowa układów mikroprzepływowych stworzyła nowe możliwości diagnostyczne w skalach fizycznych i czasowych dotychczas niedostępnych. Wykorzystywane w mikrochipach kroplekowych efekty hydrodynamiczne pozwalają na sterowanie reakcjami enzymatycznymi, dozowanie, sortowanie i enkapsulację komórek, wytwarzanie monodyspersyjnych emulsji, synteza nowych materiałów dla przemysłu, krystalizacja białek, analiza jakościowa zarodków zwierzęcych, etc. Celem dydaktycznym stażu było przygotowanie w języku angielskim zajęć dydaktycznych związanych z charakterystyką i modelowaniem mikrosystemów przepływowych. Badania Struktury mikrochipów kropelkowych modelowano w programach ANSYS 11 i COMSOL 3.4. Zbadano sposób formowania kropel na skrzyżowaniu dwóch kanałów mikrofluidycznych. Symulacji poddano skrzyżowanie dwóch kanałów mikrofluidycznych typu T. Mechanizm powstawania kropel polega na odrywaniu się porcji cieczy A, zwanej fazą rozproszoną, podczas wpływania do kanału mikrofluidycznego, w którym płynie ciecz B zwana fazą ciągłą (rys. 1). Ciecz B wywiera nacisk na ciecz A co powoduje zerwanie ciągłości cieczy A i tworzy się emulsja. Warunkiem koniecznym do uzyskania emulsji jest wzajemna nierozpuszczalność cieczy.
4 Rys. 1 Schemat prostego mikrochipa kropelkowego Zamodelowano struktury 2D. Symulacji poddano przepływ dwóch cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych: wody dejonizowanej, oleju słonecznikowego. Symulacja dotyczyła wytwarzania kropel wody w oleju. Zbadano możliwość wytwarzania kropel dla kanałów o stałej głębokości 50 µm i szerokości w zakresie od 150 µm do 500 µm. Dla każdej symulacji dobierano odpowiednie parametry ciśnień cieczy. Struktury 2D mikrochipa wykonano w programie Autodesk Inventor (rys. 2). Struktury te importowano do programów Comsol i Ansys, a następnie poddawano symulacji (rys.3). Rys. 2 Przykład struktury mikrochipa wykonany w programi Autodesk Inventor. Rys. 3 Przykładowe wyniki symulacji wykonane w programie Comsol dla mikrochipa o szerokości kanałów 300 µm i głębokości 50 µm. Porównano wyniki symulacji dla struktur o szerokości od 150 µm do 500 µm. Krople formowały się w kanałach mikrofluidycznych o szerokości powyżej 200 µm i poniżej 400 µm. W celu wytwarzania kropel na skrzyżowaniu kanałów mikrofluidycznych typu T stosunek głębokości kanału do jego szerokości musi zawierać się w zakresie 0,125 0,250.
5 Następnie badano wpływ wartości ciśnienia pod jakim wprowadzano ciecze na powtarzalność i częstotliwość generacji kropel dla wybranego mikrochipa. Na podstawie wcześniejszych badań wybrano mikrochip o głębokości 50 µm i szerokości 300 µm. Badano m.in. zależność częstotliwości generacji kropel w funkcji ciśnienia wody na wlocie kanału bocznego przy stałym ciśnieniu oleju 30 kpa (rys. 4). Wyniki badań potwierdziły możliwość powtarzalnego wytwarzania kropel oraz sterowania częstotliwością generacji. Rys. 4 Częstotliwość generacji kropel w funkcji ciśnienia wody Symulacje prowadzono w programach Comsol 3.4 i Ansys 11. Mimo że oba programy wykorzystują podczas obliczeń metodę elementów skończonych, wyniki symulacji dla identycznych struktur mikrochipa nieznacznie się różniły. Przygotowanie do symulacji projektu w programie Comsol jest znacznie krótsze niż w programie Ansys. Program Comsol posiada dużą bazę materiałów, z której można wybrać szukaną substancję. W programie Ansys trzeba znaleźć w literaturze parametry fizyczne danej substancji i wpisać do programu w odpowiednim miejscu. W przypadku popełnienia błędu, podczas przygotowania symulacji w programie Ansys trzeba wykonać całą procedurę od początku, a w programie Comsol wystarczy poprawić tylko błędną funkcję. Interfejs graficzny programu Comsol jest bardziej intuicyjny niż programu Ansys. Oba programy umożliwiają nagrania video modelowanego obiektu podczas pracy. Czas symulacji w rozpatrywanym przypadku wyniósł kilka minut dla programu Ansys i kilkanaście dla programu Comsol. Szczegółowy przebieg badań można znaleźć w raporcie wewnętrznym. Planowane jest przedstawienie wyników badań w postaci publikacji na International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES 2012 lub International Conference Perspective Technologies and Methods in MEMS Design MEMSTECH 2012.
6 Pozostałe rezultaty stażu Udział stypendystki w zebraniu naukowym oddziału Łódzkiego Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej. Wysłuchanie referatu prof. dr hab. Andrzeja Jakubowskiego z Instytutu Elektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej pt. Jak półprzewodniki pomagają tworzyć społeczeństwo informacyjne. Aktywny udział w Ogólnopolskiej Konferencji Forum Innowacji Młodych Badaczy 25-26 listopada 2011, Łódź. Wystąpienie konferencyjne pt. Trainer for sailing with electronic system. Udział w cotygodniowych seminariach doktoranckich, gdzie każdy z doktorantów prezentuje aktualne wyniki swojej pracy naukowej. Nawiązanie kontaktów dotyczących badań naukowych z profesorem Bolin Zhang (Department of Food Science, Beijing Forestry University, Beijing, China). Aspekt dydaktyczny Na podstawie przeprowadzonych badań stypendystka napisała instrukcję w języku angielskim dotycząca modelowania 2D przepływu dwu-fazowego w mikrochipie. Zastosowanie mikrochipów kropelkowych oraz innych mikrosystemów analitycznych stażystka zaprezentowała podczas cyklu wykładów Microsystems in Medical Applications dla studentów kierunku Inżynieria Biomedyczna. Stypendystka brała udział w szkoleniu Laboratorium specjalizowanych układów scalonych (ASIC) wyposażenie sali, instrukcje dla studentów prowadzonym przez dr hab. inż. Witolda Pleskacza z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych. Udział w zajęciach nauki języka angielskiego na poziomie B2 Studium Języków Obcych Politechniki Łódzkiej oferuje możliwość wolontariatu dla doktorantów i pracowników przebywających na Politechnice Łódzkiej na stażach, szkleniach. Aspekt społeczny Na terenie Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej są rozmieszczone kosze umożliwiające sortowanie śmieci na elementy papierowe, plastikowe, szklane i kompost. Warto poruszyć to zagadnienie na rodzimym wydziale stypendystki.
7 Politechnika Łódzka prowadzi Centrum Kształcenia Międzynarodowego, gdzie kształci studentów w języku angielskim na kierunkach: Architecture, Engineering, Biotechnology, Biomedical Engineering, Business and Technology, Computer Science, Information Technology, Mechanical Engineering and Applied Computer Science, Science and Technology, Telecommunications and Computer Science, Management, Mechatronics, Teleinformatics. Prowadzony jest również blok zajęć Gestion et technologie w języku francuskim. Politechnika Łódzka jest jedyną uczelnią techniczną w Europie centralnej i wschodniej, która posiada program w pełni prowadzony w języku francuskim. Data i podpis Stypendysty 8. Opinia Opiekuna naukowego stażysty nt. osiągniętych rezultatów oraz ich zgodności z zaplanowanymi i przydatności w pracy naukowo-dydaktycznej (zatwierdzenie stażu): 1. Ocena przebiegu stażu zgodnie z naukowo-dydaktycznym planem stażu (0 5 pkt.) dołączyć w załączniku.. 2. Ocena wartości osiągniętych rezultatów stażu (0 5 pkt.) wypełnia recenzent.... Data i podpis Recenzenta