در این پایان نامه پخش تک ذره? کلوئیدی در سه بُعد بررسی شده است. پدیده? پخش، یکی از مکانیزم های مهم نقل و انتقال در سلول های زیستی است. علاوه بر این، با مطالعه? حرکت پخشی ذرات می توان اطلاعات فیزیکی از خواص محیطی که ذره در آن حرکت می کند، مانند وشکسانی و دما به دست آورد. برای بررسی حرکت پخشی یک ذره کلوئیدی در ابتدا لازم است مسیر حرکت ذره در فضا و زمان مشخص شده و سپس با تحلیل این مسیر پخش ذره مورد مطالعه قرار گیرد. در این پایان نامه برای تعیین مسیر حرکت ذره دو روش ردیابی استاتیک و دینامیک ارائه کردیم. همچنین این روش ها را به ردیابی سه بُعدی نیز تعمیم دادیم. با استفاده از روش های پیشنهادی می توان مسیر حرکت ذره کلوئیدی که در میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است را در سه بُعد برحسب زمان و در فضا تعیین کرد. برای تحلیل حرکت ذره کلوئیدی بسته نرم افزاری به زبان matlab نوشته و آن را koja نامیدیم. این برنامه قادر است داده های به دست آمده از ردیابی ذره کلو ئیدی را تحلیل کرده و با روش های آماری مختلفی از جمله متوسط گیری آنسامبلی، زمانی و ترکیب این دو، در حالت های همبسته و غیرهمبسته، ضرایب پخش ذره را در سه بُعد محاسبه کند. علاوه براین، برنامه کمیت های آماری دیگری همچون تابع همبستگی سرعت ها و تابع فراوانی جابجایی ها را نیز محاسبه می کند. در صورتی که ذره? مورد مطالعه، غیرکروی بوده و داده های چرخش نیز در دسترس باشد، برنامه قادر است ضرایب پخش انتقالی را در دستگاه جسم ذره و همچنین ضرایب پخش چرخشی ذره را نیز محاسبه کند. با استفاده از این برنامه، حرکت باکتریِ ای .کولای که تقریباً استوانه ای شکل است را بررسی کردیم. ضرایب پخش انتقالی و چرخشی این باکتری را در محیط آب برای دو حالت مرده و زنده و همچنین برای گونه های با دُم و بی دُم مطالعه کردیم. نتایج به دست آمده نشان می دهند که حتی زمانی که دُم باکتری به صورت ژنتیکی غیرفعال شده است، نقش بسزایی در حرکت و پخش آن دارد. علاوه بر پدیده پخش معمولی، پدیده پخش در حضور میدان های خارجی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا در بسیاری از شرایط واقعی، سیستم تحت تا?ثیر نیروهای خارجی است. از جمله مهمترین این میدان ها، میدان گرانش، میدان الکتریکی و میدان گرادیان دما است. حرکت خالص ذرات کلوئیدی تحت اثر گرادیان دما به سمت ناحیه? گرم و یا سرد را اثر سُرِه و یا پخش گرمایی می نامند. سُرِه اولین کسی بود که حدود ??? سال پیش این پدیده را مشاهده کرد. از آنجایی که پارامترهای مختلف فیزیکی همچون وشکسانی، برهمکنش بین ذرات و محیط، جنس، اندازه، اینرسی، هدایت گرمایی و بار ذرات نقش مهمی در اندازه? نیروی اعمال شده دارند، بررسی این پدیده با چالش های بسیاری روبرو است. در این پایان نامه با ساخت سلول های گرادیان دمایی دقیق و سنسورهای حرارتی برای اندازه گیری گرادیان دما سعی شده است این پدیده بررسی شود. برای بررسی این پدیده ابتدا از دستگاه انبرک نوری که در مرکز تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان ساخته بودیم، استفاده کردیم. به دلیل محدودیت ها و مشکلاتی که در این رهیافت وجود داشت به سمت میکروسکوپ های نوری و استفاده از تجزیه و تحلیل تصویر رفتیم. نسل های مختلفی از سلول های گرادیان دمایی ساخته شد و آزمایش های زیادی انجام شد. یکی از مشکلاتی که بر سر راه بررسی این پدیده وجود دارد، تشکیل همرفت است. این قسمت از کار هنوز در حال انجام و بهبودسازی است.

در این پایان نامه پخش تک ذره ی کلوئیدی در دو بُعد, در راستاهای موازی با دیواره ی تخت,می شود. پدیده ی پخش، یکی از مکانیزم های مهم نقل و انتقال در سلول های زیستی است. علاوه بر این، با مطالعه ی حرکت پخشی ذرات می توان اطلاعات فیزیکی از خواص محیطی که ذره در آن حرکت می کند، مانند وشکسانی و دما به دست آورد. وقتی یک کره ی کلوئیدی معلق در یک شاره ی ساکن نزدیک به یک دیواره ی تخت است نیروی کششی استوکس که روی آن عمل می کند نسبت به حالتی که کره از دیواره دور است, افزایش پیدا می کند. بنابراین ضرایب پخش ذره کوچک تر از زمانی است که ذره از دیواره دور است. از آنجایی که پارامترهای مختلف فیزیکی همچون وشکسانی، برهمکنش بین ذرات و محیط، جنس، اندازه، اینرسی، هدایت گرمایی و بار ذرات نقش مهمی در اندازه ی نیروی اعمال شده دارند، بررسی این پدیده با چالش های بسیاری روبرو است. با اینکه پخش محدود یک کره ی میکروسکوپی بین دو دیواره یک پدیده ی ساده است ولی مدلی را برای ما فراهم می کند تا بوسیله آن, فهم رفتار سیستم های پیچیده ای که مرزهای آن می تواند به عنوان اثرات دیواره مدل شود, را ممکن می سازد. برای مثال هایی از سیستم های خیلی پیچیده می توان به ذرات کوچکی که در محیط متخلخل حرکت می کنند, ماکرو مولکول هایی که در غشاء سلولی پخش می شوند و سلول هایی که با سطوح برهمکنش می کنند, اشاره کرد. برای این منظور در فصل اول به طور مختصر در مورد پدیده پخش اهمیت ها و کاربردها پدیده توضیح می دهیم. همچنین گزارش مختصری از آزمایشاتی که تا کنون انجام شده و شرح نتایج حاصل از آنها داریم. در فصل دوم به طور مفصل تر در مورد پدیده ی پخش و قوانین حاکم براین پدیده و توصیف رابطه ی انیشتین برای ضریب پخش و همچنین توصیف پخش در کنار دیواره ی تخت به صورت نظری می پردازیم. برای بررسی حرکت پخشی یک ذره کلوئیدی در ابتدا لازم است مسیر حرکت ذره در فضا و زمان مشخص شده و سپس با تحلیل این مسیر پخش ذره مطالعه شود. در این پایان نامه برای تعیین مسیر حرکت ذره از روش ردیابی ذره با میکروسکوپ افقی استفاده می کنیم. برای تحلیل حرکت ذره ی کلوئیدی از بسته نرم افزاری که به زبان matlabنوشته شده و آن را koja نامیده اند, استفاده می کنیم. در فصل سوم در ابتدا به معرفی مواد آزمایش, میکروسکوپ و اجزای سازنده ی آن می پردازیم. و به طور مفصل کارهایی که در این پروژه صورت گرفته از قبیل ساخت میکروسکوپ افقی و همچنین نحوه تحلیل داده ها با استفاده از برنامه matlab توضیح می دهیم. در فصل چهار به بحث در مورد مسأله و همچنین ارائه نتایج و نحوه محاسبه خطاها و برازش نمودار ها می پردازیم. داده های حاصل از آزمایش را با نمودارهای نظری مقایسه کرده و نشان می دهیم که داده ها در توافق خوبی با نمودارهای نظری است.

هدف از این پایان نامه معرفی روشی جدید بر پایه? تداخل سنجی برای نیروسجی از مرتبه? نانو نیوتن است.‎ چیدمان این روش‏، بر اساس مدلی تعمیم یافته از تداخل سنج مایکلسون است،که با جایگزینی آینه های تخت تداخل سنج با رشته های بازتابی ایجاد شده است.‎ علت این تعمیم‏،‏ سبک بودن و انعطاف پذیر بودنِ رشته? بازتابی نسبت به آینه? تخت است که باعث حساسیت بالاتر رشته? بازتابی نسبت به آینه? تخت در مقابل اعمال نیروهای نانو نیوتنی است.‎ در این پژوهش، دو چیدمان مختلف از آینه ها مورد بررسی قرار گرفت.‎ با توجه به اینکه طرح های تداخلی ناشی از این دو چیدمان با یکدیگر متفاوتند در نتیجه روش تحلیل‏ طرح های تداخلی برای هر کدام متفاوت خواهد بود که این امر بررسی شده و بهترین روش برای هر کدام معرفی شده است. برای تخمینی از مرتبه? اندازه گیری و حساسیت به نیروهای کوچک (نیروهایی از مرتبه? نانونیوتن)‏، از آزمایش اندازه گیری نیرو در خازن میله ای استفاده شد. یکی از میله های خازن، رشته? بازتابی و میله? دیگر‏، رشته ای مشابه و ثابت بود که در فاصله ای مشخص از رشته? بازتابی که انتهای آن آزاد و سمت دیگر ثابت بود قرار می گرفت. میله ها به اختلاف پتانسیل ?v متصل می شدند.‎‏‎ اختلاف پتانسیل بین دو میله خازن‏، باعث اعمال نیروی دو میله به یکدیگر و اعمال نیرو باعث جابه جایی رشته? بازتابی و اختلاف راه نوری می شد. اختلاف راه نوری به صورت تغییر در طرح های تداخلی خود را نمایان می سازد. با‎ تحلیل طرح های تداخلی مقدار جابه جایی برحسب اختلاف پتانسیل اعمالی به دست آمد. با انجام روش های مختلف تحلیل فریز و انتخاب بهترین روش در نهایت به دقت خواندن جابه جایی 20‎‏ نانو نیوتن رسیدیم. با به دست آوردن روابط نظری نیروی الکترواستاتیکی در خازن میله ای و با اعمال تغییر اختلاف پتانسیل و اندازه گیری های تجربی و همچنین داشتن جابه جایی رشته? بازتابی برحسب اختلاف پتانسیل می توان نیروسنج ساخته شده را درجه بندی کرد و ضریب سختی فنر معادل آن را تعیین کرد. ضریب سختی فنر معادل برابر 258/0 نیوتن بر متر، به دست آمد. با توجه به دقت اندازه گیری جابجایی که از مرتبه ?? نانومتر است، و همچنین ضریب سختی که برابر با ???/? نیوتن بر متر است، با این نیروسنج اندازه گیری هایی از مرتبه ? نانونیوتن انجام پذیرفت. همچنین روش دیگری برای درجه بندی با استفاده از فرمول بندی مکانیکی انجام گرفت‏. نتایج روش مکانیکی نیز موید روش به دست آمده از درجه بندی الکترواستاتیکی است. در نتیجه یک دستگاه نیروسنج با دقت اندازه گیری نیروهای نانو نیوتنی در دسترس است که می توان کاربردهای متنوع و بدیعی برای آن در نظر گرفت. از جمله این کاربردها می توان به اندازه گیری وشکسانی سیالات، نیروسنجی در سیستم های زیستی، لرزه نگاری‏ و اندازه گیری نیروی کازیمیر‏ و ثابت گرانش اشاره کرد.

در این پژوهش پخش بیضی گون های چند میکرومتری را در آب مطالعه کردیم. به دلیل ناهمسانگردی این ذره ها، علاوه بر درجه های آزادی انتقالی، درجه های آزادی دورانی هم وجود دارند و به دلیل همین ناهمسانگردی پخش انتقالی از پخش دورانی مستقل نیست. در این پژوهش پخش دورانی این ذرات هم محاسبه شده اند و نشان داده شده است که پخش در راستای محور اصلی و فرعی بیضی گون با نظریه تطبیق خوبی دارد. اساس روشی که ما به کمک آن پخش ذرات در سه بُعد را مورد بررسی قرار دادیم کار با میکروسکوپ نوری و پردازش تصاویر ویدئویی توسط نرم افزار matlab است. ذراتی که ما مورد آزمایش قرار دادیم بیضی گون هایی از جنس پلی استیرن هستند که در آزمایشگاه تولید کردیم.

در این پژوهش با معرفی طیف سنج نوری (x,t) با قابلیت استخراج طیف جذبی بر حسب زمان و همچنین یک بعد طولی، پدیده ته نشینی مورد بررسی قرار گرفته است. برخلاف طیف سنج های زمانی معمول که در آن ها از یک آرایه رشته ای برای آشکارسازی و عدسی های کروی برای انتقال باریکه نور استفاده می کنند، در اینجا با جایگزینی آرایه رشته ای با یک آرایه ماتریسی (ccd) و همچنین عدسی های استوانه ای به جای عدسی های کروی، این قابلیت به وجود آمده است که علاوه بر بعد زمان، طیف سنجی در یک بعد مکانی هم فراهم شود. اضافه شدن یک بعد طولی در طیف سنج سبب می شود بتوان تحولات طیف عبوری نمونه را در ارتفاع های مختلف بررسی نمود. در این پژوهش ته نشینی نمونه های کلوئیدی مختلف با کمک این طیف سنج مطالعه شد و توانستیم تغییرات غلظت در ته نشینی ذره را در زمان ها و در طول موج های مختلف ببینیم. بررسی نظری پدیده ته نشینی نشان می دهد برای نانوذرات دو عامل پخش و ته نشینی در حال رقابت هستند که در نهایت منجر به نمایه نمایی برای غلظت نمونه می شود. برای نانوذرات سیلیسیم دی اکسید مطابق انتظار مشاهده شد که در حالت تعادل روابط نظری بر داده های تجربی انطباق خوبی دارد. همچنین با کمک طیف سنج ابتدا طیف عبوری و روند ته نشینی رنگدانه های آبی و مهماشی به طور جداگانه بررسی شد. سپس رنگدانه ها مخلوط شد و روند ته نشینی آن مورد بررسی قرار گرفت و توانستیم طیف و ته نشینی رنگدانه های آبی و مهماشی را از آن استخراج کنیم. مشاهده شد که روند ته نشینی مخلوط رنگدانه ها بر روند ته نشینی و نمایه غلظت رنگدانه های آبی و مهماشی انطباق خوبی دارد.

در این پایان نامه، نحوه ی ساخت کانال میکرونی مخروطی با استفاده از روش لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی نرم بررسی شده است. روش های مختلفی که برای طراحی و ساخت قالب های میکرونی به کار می روند، به نام میکروماشین کاری شناخته می شوند. میکروماشین کاری با تولید سازه های میکرواپتیکی و میکروالکترونیک به روش لیتوگرافی پا به عرصه گذاشت. ساخت اَدوات میکرونی در کوتاه ترین زمان یکی از مشکلات کارهای آزمایشگاهی است. روش پیشنهادی برای ساخت سریع این ساختارها، مبتنی بر انتخاب مدار چابی pcb به عنوان بستر اصلی و انتقال تصویر مورد نظر برروی آن است. مراحل لیتوگرافی نوری شامل تهیّه ماسک از طرح مورد نظر، سیستم نوردهی، انتخاب ماده حساس به نور و خوردگی است. ساختار مورد نظر با استفاده از این روش ساخته شده است. از ماده? پلیمری و تکنیک لیتوگرافی نرم برای انتقال طرح از روی قالب اصلی استفاده شد و راه های مختلف قالب گیری از pdms و روش های چسباندن این قالب پلیمری روی شیشه بررسی شد. کانال ساخته شده برای بررسی پدیده? پخش و نحوه? حرکت ذرات کلوئیدی درون یک هندسه محدود شده مورد استفاده قرار گرفت. برای تحلیل حرکت پخشی یک ذره کلوئیدی، ابتدا لازم است مسیر حرکت ذره در فضا و زمان مشخص شود و سپس با تحلیل این مسیر، نحوه حرکت ذره مطالعه شود. بررسی ها با استفاده از نرم افزار matlab انجام شد.

این پایان نامه مروری بر خواص و کاربردهای تکانه زاویه ای اسپینی و مداری نور، و معرفی برخی از کاربردهای آنها است. با استفاده از معادله موج پیرامحوری نشان می دهیم که اندازه حرکت زاویه ای نور به بخش های اسپینی و مداری تجزیه می شود. برخی از روش های مختلفی که تاکنون برای تولید این باریکه ها به کار گرفته شده اند معرفی شده است. همانند صفحات فازی مارپیچ (spp)، تمام نگارهای با طرح چنگالی، عدسی های استوانه ای، صفحه های با بار توپولوژی معین (q-plate) و نمونه های دارای دوشکستی عرضی دائمی. در این پایان نامه برخی از کاربرد های این پرتوها در تله اندازی ذرات میکروسکوپی و دوران آنها مرور می شود. چرخش و جهت گیری ذرات دوشکستی در میدان الکتریکی نور، چرخش ذرات دوشکستی در یک باریکه نوری با قطبش بیضوی و همچنین انتقال اندازه حرکت زاویه ای مداری نور به ذرات جاذب، بررسی انتقال اندازه حرکت زاویه ای کل (اندازه حرکت اسپینی و مداری) به این ذرات جاذب، چرخش کنترل شده ی ذرات در الگوی تداخلی مارپیچ مورد بررسی قرار گرفت. در این کاربرد ها، از انبرک نوری برای تله اندازی ذرات، و برای تولید اندازه حرکت زاویه ای مداری اغلب از تمام نگار ها و یا عدسی های استوانه ای استفاده شده است. در این پایان نامه پس از مرور روش های انتقال تکانه زاویه ای نور به ذرات میکروسکوپی، در ادامه سعی کردیم با استفاده از پرتوهای حامل اندازه حرکت زاویه ای مداری ،به عنوان هم زن نوری، مخلوط شدن دو سیال در یک کانال میکرونی را بررسی کردیم . مشاهده شده است هنگامی که پرتو پرتوان لیزر آرگون با شیشه های تبادل یون شده برهمکنش می کند ناحیه برهمکنش می تواند به یک باریکه گاوسی با قطبش دایره ای، تکانه زاویه ای مداری منتقل کند که ما از این نمونه ها برای انتقال اندازه حرکت زاویه ای مداری به پرتو استفاده کرده ایم. برای ساخت کانال های میکرونی از روش لیتوگرافی نرم بر پایه (pdms) استفاده کردیم. ساخت میکروکانال و مشاهده مرز کاملا مجزا دو سیال با موفقیت انجام شد ولی متاسفانه چرخش یا مخلوط شدن این دو سیال مشاهده نگردید. در ادامه، تصمیم گرفتیم که از این پرتوها برای دوران ذرات جاذب میکروسکوپی استفاده کنیم. که برای این منظور ابتدا از گلبول های قرمز خون به عنوان ذرات جاذب استفاده کردیم و سپس ذرات پلی استایرن با ابعاد مختلف از تا این آزمایش را تکرار کردیم، ولی چرخشی برای این ذرات مشاهده نشد. از آنجا که منبع لیزری که برای پرتو حامل اندازه حرکت زاویه ای استفاده کردیم لیزر پوینتر(‎ ) بوده است، این احتمال می رود که توان پایین نور لیزر و همچنین جذب پایین ذرات به اندازه ای نبوده که چرخش این ذرات را ممکن سازد. تکرار این آزمایش و تکرار چرخاندن ذرات با توان های بالاتر، به سبب آسیب دیدن لیزر پرتوان آرگون و افت توان آن که عدم امکان ساخت کامل شیشه های تبادل یون شده را در پی داشت، ممکن نبوده و توقف پروژه را در مراحل پایانی در پی داشت.