דור ובקרה של Electrohydrodynamic זורם בפתרונות אלקטרוליט מימית

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.

Summary

תיקון יון תחבורה מסלולים היא שיטה יעילה כדי ליצור אחד-directional גרר-יון electrohydrodynamic זורם. על-ידי הגדרת ממברנה של יונים ערוץ הזרימה, תנאי מקוטב חשמלית נוצרת וגורם על זרימת הנוזל הולך להיות מגורש כאשר שדה חשמלי חיצוני מוחל.

Abstract

לנהוג electrohydrodynamic (EHD) זורם פתרונות מימית, ההפרדה של מסלולים תחבורה הקטיון, אניון חיוני כי כוח גוף חשמלי מכוון חייב להיגרם על ידי תנועות יוניים בנוזל. מצד שני, מטענים חיוביים ושליליים מושכים אחד את השני, electroneutrality נשמרת בכל מקום ב שיווי משקל התנאים. יתר על כן, עלייה מתח המופעל צריך לדכא להימנע אלקטרוליזה של מים, מה שגורם הפתרונות לחוסר יציבות. בדרך כלל, זורם EHD יכולה להיגרם במתן פתרונות שאינם-מימית על-ידי החלת מתח גבוה במיוחד, כמו עשרות kV, להזריק מטענים חשמליים. במחקר זה, שתי השיטות הם הציגו לייצר תזרימי EHD המושרה על ידי מטען חשמלי הפרדות בפתרונות מימית, ובו שני שלבים נוזלי מופרדים באמצעות קרום יונים. בשל הבדל בניידות יוניים ממברנה, יון ריכוז קיטוב מושרה בין שני צידי הקרום. במחקר זה, נדגים שתי שיטות. (i) ההרפיה של מעברי צבע ריכוז יון מתרחשת דרך ערוץ הזרימה החודר של קרום יונים, כאשר התעבורה של המין איטי ממברנה באופן סלקטיבי הופך דומיננטי בתעלה זרימה. זהו הכוח המניע ליצור תזרים EHD בתוך הנוזל. (ii) ארוך זמן ההמתנה עבור פעפוע של יונים עובר דרך קרום יונים מאפשר את הדור של תזרים גרר-יון על-ידי החלת שדה חשמלי חיצוני. יונים מרוכזים ערוץ הזרימה של חתך רוחב² מ"מ 1 x 1 לקבוע את הכיוון של זרימת נוזלי, המקביל מסלולים תחבורה electrophoretic. בשתי השיטות, ההבדל מתח חשמלי נדרש לדור זרימה EHD התקצר ל סמוך 2 V על ידי ומתקן המסלולים תחבורה יון.

Introduction

לאחרונה, זרימת הנוזל בקרת טכניקות משכו תשומת לב רבה בגלל עניין היישומים של מיקרו - ו nanofluidic התקנים¹^,²^,³^,⁴^,⁵^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵. בפתרונות קוטבי, כגון פתרונות מימית ונוזלים יוניים, יונים, חשמלית חלקיקים טעונים בדרך כלל מביא על מטענים חשמליים בפעולות הזרמת נוזלי. התעבורה של חלקיקים כאלה מקוטב מספק הרחבה של יישומים שונים, כגון מולקולה בודדת מניפולציה⁶^,¹⁰^,¹¹^,¹³^,¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷יון דיודה התקנים¹²^,¹⁸, זרימת הנוזל לשלוט¹⁹^,²⁰^,²¹^,²². זרימה EHD כבר תופעה ישימה עבור מערכות בקרת זרימת הנוזל מאז Stuetzer¹^,² המציא את המשאבה גרירה יון. מלצ'ר ו טיילור³ פרסם מאמר חשוב בו למסגרת התיאורטית של זרימה EHD נבדקה היטב, ניסויים יוצא מן הכלל היו גם הדגימו. סאביל⁴ ²³^,שלו לעבודה²⁴ תרמו להרחבת הבאים EHD טכנולוגיות נוזלים. עם זאת, היו מספר מגבלות על גרימת זורם נוזל מונע על ידי כוחות חשמליים, כי עשרות kV צריך להיות מיושם נוזלים כדי להזריק מטענים חשמליים בפתרונות לא קוטביים, כגון שמנים, כדי polarize אותם¹^,² ^, ³. זה חיסרון לפתרונות מימית כי אלקטרוליזה מים זה הנגרמת על ידי פוטנציאל חשמלי גבוה יותר מאשר 1.23 V שינוי המאפיינים של פתרונות והופכת את הפתרונות לא יציב.

מיקרו - nanofluidic ערוצים, חיובים משטח של ערוץ חומות לגרום את הריכוז של counterions זה ביעילות זירוז זורם electroosmotic (EOFs) תחת שדות חשמליים חיצוני²⁵^,²⁶^,²⁷²⁸^, ^,²⁹. שימוש EOFs, כמה טכניקות שאיבת נוזל הוחלו בפתרונות מימית, הפחתת מתחים חשמליים³¹^,³⁰^,, או³². מצד שני, EOFs מוגבלות הנוצר micro - ו nanospaces שבו פני שטחים להיות דומיננטי יותר מאשר אמצעי אחסון נוזלי. יתר על כן, בהתאם הובלת יונים מרוכז מאוד ליד הקירות, כגון בשכבות חשמלי כפול, הגבול להחליק רק גורמת את זרימת הנוזל, וייתכן שזה לא מספיק לגרום לחץ מעברי צבע⁷^, ⁸ ^, ²² ^, ²⁶ ^, ²⁷. בסדר כוונון, כגון ערוץ מידות וריכוזי מלח, נדרש עבור היישומים של EOF. לעומת זאת, EHD זורם מונעים ע י הגוף כוחות נראה להיות זמין להסעת ההמונים ואת האנרגיות אם החשמלי יישום יכול להיות מופחת כדי להימנע משפילים ממיסים. לאחרונה, יש חוקרים הציעו יישומים תזרימי EHD עם מתח נמוך³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶. למרות טכנולוגיות אלה עדיין לא יושמו, הגבולות צפויים להרחיב.

במחקרים קודמים, ערכנו גם עבודה ניסיוני ותיאורטי על זורם EHD פתרונות מימית³⁷^,³⁸^,³⁹^,⁴⁰. זה היה אמור כי תיקון מסלולים תחבורה יון היה יעיל ליצירת פתרונות הטעונים חשמלית שגורמים כוחות גוף חשמלי תחת שדות חשמליים. על ידי שימוש של ממברנה חילוף יונים וערוץ הזרימה חוצה את הקרום, הצלחנו לתקן את זרמי יוניים. בשעת החלת של אניון החלפת ממברנה, קטיונים מרוכז בזרם ערוץ גרר את ממיסים ופיתח של EHD זרימה³⁷^,³⁸^,³⁹. הבדלי הניידות של מינים יון היה גורם חשוב להפריד את הזרמים cationic ו anionic. ממברנות יונים עבד ביעילות כדי לווסת את הניידות בשל יון סלקטיביות. יון תחבורה תופעות נחקרו גם מנקודת המבט של צפיפות זרם יוניים מושפע שדות חשמליים יישומית⁴¹. מחקרים אלו היו רווחי בשביל לפתח טכניקות מניפולציה עבור מולקולות יחיד, כלומר, מיקרו - ו חלקיקים, תנועות אשר מושפעים מאוד תנודות תרמי¹¹^,¹⁶^,¹⁷. EOFs וזורמת EHD צפויים להרחיב את מגוון שיטות בקרת זרימה מדויקים, כמו גם לחץ מעברי צבע.

במחקר זה, נדגים שתי שיטות כדי נסיעה זורם EHD בפתרונות מימית. ראשית, פתרון NaOH משמש עבור נוזל עובד לנהוג על EHD זרימה³⁷^,³⁸^,³⁹. אניון החלפת ממברנה מפרידה את הנוזל לשני חלקים. ערוץ הזרימה polydimethylsiloxane (PDMS) עם חתך רוחב של 1 x 1 מ מ, באורך של 3 מ מ חודר את הממברנה. על-ידי החלת פוטנציאל חשמלי של 2.2 V, הובלת electrophoretic Na⁺H⁺, הו⁻ יונים מושרה לאורך השדות החשמלי. ממברנה של אניון-exchange וערוץ הזרימה לעבוד ביעילות כדי להפריד בין המסלולים תחבורה יון, איפה אניונים דומיננטית לעבור דרך הקרום ו קטיונים להתרכז בתעלה זרימה, למרות בשני המינים בדרך כלל לנוע בכיוונים מנוגדים, שמירה על electroneutrality. לפיכך, תנאי כזה אינו גורם הכוח המניע של נוזלי זורם. מבנה זה הוא קריטי כדי לייצר תזרים EHD מהירות הזרימה של מי מגיע גודל 1 מ/s בערוץ כי המרוכזת קטיונים מואצת של שדות חשמליים חיצוני גרור מולקולות הממס. זורם EHD נצפתה והקליט באמצעות מיקרוסקופ ומצלמה במהירות גבוהה כפי שמוצג באיור1. שנית, ריכוז ההבדל בין שני שלבים נוזלי מופרדים באמצעות קרום-יונים גורמת תנאי חשמלית מקוטב שיווצר חוצה ממברנה של יונים⁴⁰. במחקר זה, אנו מוצאים את החשיבות של זמן ההמתנה ניכר equilibrate יון הפצות, פוטנציאל חשמלי המתאים, אשר גורמים עדיף התנאים להחלת כוח הגוף בנוזל. חציית הקרום יונים, תנאי בחולשה מקוטב מושגת. במצב כזה, שדה חשמלי חיצוני המניע תחבורה יון כיוונית שיוצר כוח הגוף בנוזל, כתוצאה מכך, העברת המומנטום של היונים הממס מפתחת תזרים EHD.

כפי שהוזכר לעיל, המכשירים נוכח להצליח באופן דרסטי הפחתת הפרש מתח המופעל עבור כמה וולט, ולכן שיטה זו הוא יכול לשמש עבור פתרונות מימית, למרות השיטות הזרקת קונבנציונאלי מטען חשמלי נדרש עשרות kV, מוגבלות ליישום פתרונות שאינם-מימית.