Design, fabrication and characterization of bio-inspired micro-nano new generation polymer fiber array

Abstract

Tezin ana amacı biyolojiden esinlenilmiş sentetik polimer fiber dizisi tasarlamak, üretmek ve karakterize etmektir.İki yüzeyin birbirine güçlüce yapışması ve kolayca aynı yüzeyden herhangi bir iz bırakmadan ayrılması birçok teknolojik alanda istenen bir olgu olsada nadir olarak insan yapımı yapılarda başarılabilir. Bu yapışma ve ayrılma olgusunu (tersinilebilir yapışma), doğa, binlerce yıllık deviniminde çeşitli hayvanların hareket ayaklarının üzerinde fiber dizini şeklinde gelişerek başarmıştır. Bu yapışmanın yüzeyler arasındaki moleküler çekim gücünden (van der Waals kuvvetleri) kaynaklandığı düşünülmektedir. Gecko hayvanı ayakuçlarında bulunan fiber yapısı vasıtasıyla burada sıralanan özelliklere sahiptir ve bunlar aynı zamanda bu tezde sentetik olarak üretdiğimiz fiber dizininde ulaşmaya çalışacağımız özelliklerdir:Düz ve değişik yüzey pürüzlülüğü sahip yüzeylere tutunabilme,Ağırlığının yüzlerce katı kadar tutunma gücüne (adezyon kuvvetine) sahip olma,Tekrar edilebilir yapışkanlık özelliği,Kendi kendine temizleme özelliği.Bu kapsamda öncelikle yumuşak zemin üzerinde bulunan (destek katmanı) mikro-nano fiber dizisi için sürekli temas mekaniği modelleri ve sonlu elemanlar metodu kullanılarak bir yüzey ile olan yapışma durumları, modellenmiştir. Sonlu elemanlar metodunu kullanarak fiberler tasarlanmıştır. SEM?de fiberler statik halde değişik güçlere maruz kalarak onların gösterdiği yer değişim ve mukavemet araştırılmıştır. Yumuşak litografi yöntemiyle fiberler mikro-nano boyutunda değişik çaplarda ve boylarda üretilmiştir. Fiberler üzerinde deneyler yapılarak, fiberlerin farklı pürüzlüklerde yüzeylerle adaptasiyonu araştırılmıştır.Anahtar Kelimeler: Biyolojiden esinlenmiş fiber, Tasarım, Üretim, Pürüzlük, Çekme

Design, fabrication and characterization of micro-nano bioinspired fiber array is the main idea of this thesis.Even though adhesion of the two surfaces together powerfully and easily separation from the same surface without leaving any trace is a desired phenomenon in most technological area, but it is seldom achieved in man-made structures. Nature has done this adhesion and separation phenomena (reversible adhesion) in various animals by fiber arrays on their motion foot during thousands of years. It is considered that this adhesion arises from molecular attraction force between surfaces (van der Waals forces). Gecko owes features listed here by toes (fiber structure found on foot ends of gecko), therewithal these are features which is tried to achieve in fabricated synthetic fiber arrays:Holding on smooth surfaces and surfaces with various roughness values,Have the power to carry weight up to hundreds times of its weight (adhesion force),The repeatable adhesion feature,The self-cleaning feature.In this context primarily, using continuum contact mechanics models and finite elements method, adhesion situations of the micro-nano fibers on backing layer is modeled. Fibers are designed using finite elements method. In FEM different forces are applied on fibers and resultant displacement and stress is examined. Fibers in various diameter and height are fabricated by soft lithography method. Then experiments are done to find the adaptation of fibers with different rough surfaces.Keywords: Bioinspired fiber – Design – Fabrication – Roughness - Adhesion