Low reynolds number swimming of helical structures and rigid spheres

Abstract

Mikro yüzücüler, hastalıkların tanısı ve tedavisine yönelik minimal invasif medikal uygulamaların gerçekleştirilmesini sağlayabilecek büyük potansiyele sahiptir. Tehlikeli tedavilerin yan etkilerini azaltıp tedavi kaynaklı ikincil sorunların giderilmesini sağlayabilecek hedefli ilaç taşınımının gerçekleştirilmesinde umut vaat eden adaylardır. Ancak, vücut salgıları gibi düşük Reynolds sayısına sahip ortamlarda küçük ölçekli yüzücülerin itki elde edebilmesi, yüzmeyi sağlayacak hareketin zaman göre simetrisini kırabilmeyi gerektirir; bu da viskoz ortamlarda mikro yüzücülerin ilerleyebilmesini zorlu bir görev yapmaktadır. Bu tezde kiral ve aksisimetrik yüzücülerin düşük Reynolds sayılı ortamlarda silindirik kanal içinde yüzme performansları bilgisayarlı simülasyon, numerik modelleme ve deneysel çalışmalar kullanılarak incelenmiştir. Bu araştırma alanında kullanılan kiral ve aksisimetrik yüzücülerin performansını geniş bir çerçevede ve yüksek tutarlılıkla analiz etmede kullanılabilecek bilgisayarlı hesaplama metotları sunulmuştur. Kiral yapıların yüzmesine etki eden geometrik parametreler analiz edilmiş ve bu yüzücülerin maksimum hız ya da verimlilik açısından optimize edilmesine olanak tanıyacak bir kılavuz oluşturulmuştur. Aksisimetrik parçacık kullanılarak yüzme hareketinin zamana göre simetrisinin kırılması, küresel yüzücünün silindirik kanalla hidrodinamik etkileşimleri kullanılarak başarılmıştır. Direnç kuvveti teorisinden faydalanarak hazırlanan numerik modelin küresel yüzücülerin gezingelerinin yüksek tutarlılıkla hesaplayabildiği gösterilmiştir. Sert kürelerin eylemsizlik kuvvetlerinden bağımsız olarak silindirik kanal içerisinde merkez eksene odaklanması deneysel olarak gösterilmiştir. Bu tezde sunulan bulgular hem kiral hem aksisimetrik yüzücülerin karakterizasyonuna dair bilgi birikimimize katkıda bulunarak, mikro yüzücüler ile başarılabilecek yeni uygulamaların önünü açma potansiyeline sahiptir.

Micro swimmers have a great potential to realize minimally invasive medical procedures to detect and treat diseases. They are promising candidates for achieving targeted drug delivery, which can reduce the side effects of potent drugs and minimize the secondary complications of dangerous treatments. However, swimming at low Reynolds number environments such as bodily fluids requires breaking the time reversal symmetry to achieve propulsion, therefore swimming of micro structures in viscous environments presents a challenge. In this thesis, swimming characteristics and performance of both chiral and magnetically actuated axisymmetric structures swimming inside cylindrical conduits at low Reynolds numbers are investigated using computational and numerical models, as well as experimental studies. Computational tools that predict the swimming performance of both chiral and axisymmetric swimmers are presented to provide a comprehensive analysis that considers both types of swimmers used in this research field. Effects of geometric parameters on the swimming performance of chiral structures are analyzed and guidelines for designing helical tails for optimized velocity or efficiency are established using a computational fluid dynamics model. Symmetry breaking with axisymmetric particles is achieved by exploiting their hydrodynamic interactions with confining boundaries. A numerical model based on the resistive force theory that can predict their trajectories with high accuracy is reported. Non-inertial focusing and controlled motion of rigid spheres inside cylindrical channels are experimentally demonstrated. The findings presented contribute to our understanding of the swimming characteristics of both symmetric and asymmetric micro swimmers and pave the way for new applications.