توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية

Kentaro Doi; Fumika Nito; Ayako Yano; Ryo Nagura; Satoyuki Kawano

doi:10.3791/57820

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Method Article

توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية

DOI:

10.3791/57820

⸱

September 7th, 2018

Kentaro Doi¹, Fumika Nito¹, Ayako Yano², Ryo Nagura¹, Satoyuki Kawano¹

¹Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, ²Division of Mechanical Science and Technology, Faculty of Science and Technology, GUNMA University

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Summary

تصحيح مسارات النقل أيون طريقة فعالة لتوليد تدفقات اليكتروهيدروديناميك جر أيون واحد ثنائي الاتجاه. بواسطة تعيين غشاء تبادل الأيوني في قناة تدفق، يتم إنشاء شرط مستقطب كهربائياً ويؤدي إلى تدفق سائل لتكون مدفوعة عند تطبيق مجال الكهربائي خارجياً.

Abstract

محرك اليكتروهيدروديناميك (EHD) التدفقات في المحاليل، الفصل بين مسارات النقل الموجبة وشاردة ضروري لأن قوة جسم كهربائية موجهة لتكون الناجمة عن الالتماسات الأيونية في السائل. من ناحية أخرى، رسوم الإيجابية والسلبية تجذب بعضها البعض، والحفاظ على اليكترونيوتراليتي في كل مكان في ظروف التوازن. وعلاوة على ذلك، بزيادة جهد المطبق منعها لتجنب التحليل الكهربائي الماء، الذي يؤدي إلى الحلول لتصبح غير مستقرة. عادة، يمكن أن يتسبب تدفقات EHD في المحاليل غير بتطبيق الفولتية عالية للغاية، مثل عشرات كيلو فولت، لحقن رسوم الكهرباء. في هذه الدراسة، يتم عرض طريقتين لتوليد تدفقات EHD الناجمة عن فصل الشحن الكهربائي في المحاليل، حيث مرحلتين السائلة تكون مفصولة غشاء تبادل الأيوني. بسبب اختلاف في الحركة الأيونية في الغشاء، هو فعل الاستقطاب تركيز أيون بين جانبي الغشاء. في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين. (ط) تخفيف تركيز أيون التدرجات يحدث عبر قناة تدفق التي تخترق غشاء تبادل الأيوني، حيث يصبح نقل الأنواع أبطأ في الغشاء بشكل انتقائي المهيمنة في قناة التدفق. وهذا قوة دافعة لتوليد تدفق EHD في السائل. وقت الانتظار (ثانيا) منذ فترة طويلة لنشر أيونات يمر عبر غشاء التبادل الأيوني يمكن توليد تدفق سحب أيون بتطبيق حقل كهربائي خارجياً. أيونات تتركز في قناة تدفق شريحة² مم 1 × 1 تحدد اتجاه تدفق السائل، المقابلة لمسارات النقل الغرواني الكهربي. في كلتا الطريقتين، يتم تقليل الفرق الجهد الكهربائي اللازم لتوليد تدفق EHD جذريا إلى قرب 2 الخامس بتصحيح مسارات النقل أيون.

Introduction

في الآونة الأخيرة، وتقنيات مراقبة تدفق السائل اجتذبت الكثير من الاهتمام بسبب الاهتمام بالتطبيقات من الصغر ونانوفلويديك الأجهزة¹^،²^،³^،^،من⁴⁵^، ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵-في حلول القطبية، مثل المحاليل والسوائل الأيونية، الأيونات والجسيمات المشحونة كهربائياً تجلب عادة عن الشحنات الكهربائية في تدفق السائل. نقل هذه الجزيئات المستقطبة يوفر توسع في تطبيقات مختلفة، مثل التلاعب جزيء واحد⁶^،¹⁰^،¹¹^،^،من¹³¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷وأيون أجهزة أشباه الموصلات¹²^،¹⁸، وتدفق السائل التحكم¹⁹^،²⁰^،^،من²¹²². تدفق EHD تم ظاهرة المطبقة لنظم التحكم في تدفق السائل منذ¹^،ستويتزير² اخترع مضخة السحب أيون. ميلتشر وتايلور³ مقالا هامة التي تم استعراض الإطار النظري لتدفق EHD جيدا وكما أظهرت بعض التجارب غير المسددة. سافيل⁴ و²³^،زملاء له²⁴ ساهمت في توسيع نطاق التكنولوجيات EHD في السوائل التالية. ومع ذلك، كانت هناك بعض القيود لحفز التدفقات السائلة مدفوعا بالقوى الكهربائية، لأن عشرات كيلو فولت يجب أن يطبق في السوائل لحقن الشحنات الكهربائية في حلول غير القطبية، مثل الزيوت، استقطاب منهم¹^،² ^, ³-هذا وضع غير مؤات للمحاليل للتحليل الكهربائي الماء الذي فعل الجهد الكهربائي أعلى من 1.23 V تغيير خصائص الحلول ويجعل الحلول غير مستقرة.

في قنوات نانوفلويديك والصغرى، يسبب التهم السطحية لجدران القناة تركيز كونتيريونس التي تحفز فعالية تدفقات اليكتروسموتيك (EOFs) تحت المجالات الكهربائية تطبيق خارجياً²⁵^،²⁶^،²⁷ ^،^،من²⁸²⁹. باستخدام EOFs، طبقت بعض تقنيات ضخ السائل في المحاليل، خفض الفولتية الكهربائية³⁰^،^،من³¹³². من ناحية أخرى، تقتصر EOFs التي يتم إنشاؤها في الصغر والتي تصبح المناطق السطحية الغالبة أكثر من حجم السائل نانوسباسيس. وعلاوة على ذلك، تبعاً لنقل أيونات مركزة بشكل كبير جداً قرب الجدار السطوح، مثل الكهربائية في الطبقات المزدوجة، الحدود كشف إلا يتسبب تدفق السائل، الذي قد لا يكون كافياً لجعل الضغط التدرجات⁷^، ⁸ ^, ²² ^, ²⁶ ^, ²⁷-غرامة ضبط، مثل أبعاد القناة وتركيزات الملح، مطلوب للتطبيقات لأشكال التعبير الفولكلوري. وفي المقابل، EHD التدفقات مدفوعة بهيئة القوات يبدو أن تكون متاحة للجماهير وطاقات النقل إذا يمكن تخفيض الفولتية التطبيق لتجنب اللاإنسانية المذيبات. في الآونة الأخيرة، اقترح بعض الباحثين تطبيقات تدفقات EHD مع الفولتية المنخفضة³³^،³⁴^،^،من³⁵³⁶. على الرغم من أن هذه التكنولوجيات لم تنفذ حتى الآن، من المتوقع الحدود توسيع.

في دراسات سابقة، وقد أجرينا أيضا الأعمال التجريبية والنظرية المتعلقة بتدفقات EHD في المحاليل³⁷^،³⁸^،^،من³⁹⁴⁰. كان من المفترض أن تصحيح مسارات النقل أيون كان فعالاً لتوليد حلول مشحونة كهربائياً تسبب قوات هيئة الكهرباء تحت المجالات الكهربائية. باستخدام غشاء تبادل الأيوني وقناة تدفق عبور الغشاء، كنا قادرين على تصحيح التيارات الأيونية. عند تطبيق غشاء تبادل شاردة، والكاتيونات تتركز في التدفق قناة جر المذيبات ووضعها EHD تدفق³⁷^،^،من³⁸³⁹. اختلاف في تنقل الأنواع أيون كان عاملاً مهما عند فصل التيارات أنيونى والموجبة. فعالية عمل أغشية التبادل الأيوني تعدل في التنقل بسبب الانتقائية أيون. كما تم التحقيق أيون النقل الظواهر من وجهة نظر الأيونية الكثافة الحالية التي تتأثر بالمجالات الكهربائية التطبيقية⁴¹. هذه الدراسات كانت مثمرة لتطوير تقنيات التلاعب للجزيئات واحدة، إلا وهي الصغرى وجسيمات نانوية، الاقتراحات التي تتأثر بشدة بالتقلبات الحرارية¹¹^،¹⁶^،¹⁷. من المتوقع أن توسيع نطاق مجموعة متنوعة أساليب مراقبة تدفق دقيق، فضلا عن الضغط التدرجات EOFs وتدفقات EHD.

في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين لمحرك الأقراص EHD التدفقات في المحاليل. أولاً، يتم استخدام حلاً هيدروكسيد الصوديوم لسائل العامل لمحرك الأقراص EHD تدفق³⁷^،^،من³⁸³⁹. يفصل غشاء تبادل شاردة السائل إلى قسمين. قناة تدفق بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) مع شريحة من 1 × 1 مم وطولها 3 ملم تخترق الغشاء. عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس، فعل النقل الغرواني الكهربي نا⁺، ح⁺وأيونات OH⁻ على طول الحقول الكهربائية. غشاء تبادل شاردة وقناة لتدفق العمل بفعالية لفصل مسارات النقل أيون، حيث الأنيونات المهيمن تمر عبر الغشاء وتركيز الكاتيونات في قناة التدفق، وعلى الرغم من أن كلا من الأنواع عادة التحرك في اتجاهين متعاكسين، الحفاظ اليكترونيوتراليتي. وهكذا، مثل هذا شرط لا يسبب قوة دافعة للتدفقات السائلة. هذا الهيكل حاسم لتوليد تدفق EHD سرعة التدفق الذي يصل إلى حدود 1 مم/s في القناة لأن التركز الشديد للاتصالات إلى التعجيل بالمجالات الكهربائية الخارجية سحب جزيئات المذيبات. لاحظ تدفقات EHD وتسجيلها باستخدام مجهر وكاميرا عالية السرعة كما هو مبين في الشكل 1. ثانيا، فرق تركيز بين مرحلتين السائل مفصولة غشاء تبادل الأيوني يسبب شرط مستقطب كهربائياً إلى إنشاء معبر غشاء تبادل الأيوني⁴⁰. وفي هذه الدراسة، نجد أهمية وقت الانتظار طويل حجته توزيعات أيون والجهد كهربائي مقابلة، التي تسبب الظروف الأفضل لتطبيقه على قوة جسم في سائل. عبور غشاء التبادل الأيوني، ويتحقق شرط ضعيفة استقطاب. في مثل هذه حالة، مجال الكهربائي تطبيق خارجياً يدفع النقل أيون الاتجاه الذي يولد قوة جسم في سائل، ونتيجة لذلك نقل الزخم من الأيونات المذيب يطور تدفقا EHD.

كما ذكر أعلاه، الأجهزة الحالية تنجح في تخفيض جذري فرق الجهد المطبق على فولت قليلة، وبالتالي هذا الأسلوب يمكن أن تستخدم للمحاليل، على الرغم من أن أساليب حقن تهمة الكهربائية التقليدية تتطلب عشرات كيلو فولت و تقتصر على تطبيق حلول غير المائية.