Sabancı Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Doktora Programı 2020 mezunumuz Hakan Osman Çaldağ'ın “Acoustic radiation forces on magnetically actuated helical swimmers” başlıklı makalesi, akışkanlar mekaniği alanında oldukça prestijli Physics of Fluids dergisinin Eylül 2020 sayısında Editor’s Pick teşviği ile yayımlandı.
Hakan Osman Çaldağ
Hakan Osman Çaldağ, Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Öğretim Üyesi Serhat Yeşilyurt'un danışmanlığında gerçekleştirdiği tez çalışmasının bir kısmı olarak yayımladığı makalede, yapay sarmal yüzücülere etkiyen akustik radyasyon kuvvetini hesaplamak için küre zinciri (chain-of-spheres) olarak adlandırılan ve hem bilgisayar belleği kullanımı hem de işlem hızı açısından son derece verimli bir analitik yöntem geliştirerek, çeşitli akustik dalgaların yüzme hızı ve yörüngesine etkilerini inceledi.
Doğada E. coli gibi kuyruklu bakterilerden ilhamla tasarlanan sarmal kuyruklu yapay mikroyüzücüler; doku ve organlara ilaç teslimi, tıkalı damarların açılması, mikroşiruji gibi çeşitli tıbbi alanlarda kullanım potansiyeline sahiptir. Yüzücülerin boyutu nanometre mertebesine kadar inebildiği için, yüzücü üzerine motor gibi yerleşik hareket mekanizmaları yerleştirilememektedir, bu yüzden bu yüzücüler dış etkilerle hareket ettirilmektedir. Sarmal kuyruğa sahip mikroyüzücüler, manyetik bir malzemeyle kaplandığı takdirde, döner bir manyetik alanın etkisiyle dönebilmekte ve bu dönüş de net itkiyle sonuçlanmaktadır. Ancak manyetik alanla yüzen yüzücülerde yalpalama, helezonlar çizerek ilerleme ve manyetik alanla senkron kayması gibi yüzme performansını olumsuz etkileyen sorunlar bulunmaktadır. Makalede bu sorunları aşmak için akustik dalgalar kullanılması önerilmektedir. Akustik dalgalar, tıbbi uygulamalarda sıklıkla kullanılmakta ve insan vücuduna herhangi bir zarar vermemektedir. Bu yüzden yine insanlara herhangi bir zararı bulunmayan döner manyetik alanlarla beraber kullanılabilir. Akustik dalgalar söz konusu yüzücüler üzerine akustik radyasyon kuvveti ismi verilen bir kuvvetle etkimektedir. Ancak bu kuvvetin geleneksel olarak kullanılan yöntemlerden olan sonlu-eleman modelleriyle hesaplanması yüksek miktarda bilgisayar belleği kullanımı gerektirmekte ve hesaplamanın tamamlanması dakikalarca sürmektedir. Bu çalışmada küre zinciri olarak adlandırılan (chain-of-spheres) yeni bir analitik yöntem geliştirilerek, yüzücüye etkiyen radyasyon kuvveti saniyeler içerisinde ve yüksek bellek kullanmadan yüksek doğrulukla hesaplanabilmiştir. Bu yaklaşımda sarmal yapı bir küre zinciri olarak varsayılmış ve bu kürelere etkiyen kuvvetler analitik olarak hesaplanarak toplamda etkiyen kuvvet, sarmal yapıya etkiyen kuvvete eşdeğer bulunmuştur. Bu modelleme yöntemi, sarmal yüzücünün manyetik alan altında yüzmesinin benzetim modeline entegre edilerek, sarmal bir yüzücünün akustik ve manyetik alan altında nasıl yüzdüğü incelenmiştir. Giden akustik dalgaların yüzme hızını artırdığı ve yalpalamayı azalttığı, duran akustik dalganın ise yüzücüyü geometrik parametrelerine göre özgün bir pozisyonda sabit tuttuğu gözlemlenmiştir.