電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

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

doi:10.3791/57820

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要約
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要約

イオン輸送経路の整流は、一方向イオンドラッグ電気流体力学流を生成する効果的な方法です。流路内には、イオン交換膜を設定することにより電気的偏光状態が生成され適用する外部電場に駆動される液体の流れを引き起こします。

要約

電気流体力学的 (EHD) を運転するには、流れ、水溶液中で陽イオンと陰イオンの輸送経路の分離が不可欠である向電気体力が液体のイオンの動きによって誘発される必要があるため。その一方で、肯定的なおよび負電荷は互いを引き付ける、電気的中性は平衡条件でどこでも維持されます。さらに、印加電圧の増加は不安定になるソリューションを引き起こす水の電気分解を避けるために抑制します。通常、EHD 流れを誘起すること非水溶液中で数十 kV などの非常に高い電圧を適用することによって電荷を注入します。本研究では 2 液相、イオン交換膜で区切られている水溶液中における電荷分離による EHD フローを生成する 2 つの方法を紹介します。膜におけるイオン移動度の差は、膜の両側でイオン濃度分極が誘起されます。本研究では、2 つの方法を示します。(を介して選択的に膜の遅い種の輸送なる流路で支配的、イオン交換膜を貫通する流路 i) イオン濃度勾配の緩和が発生します。これは液体の EHD 流動を生成する原動力です。イオン交換膜を通るイオンの拡散のための (ii) 長い待機時間は、外部から電界を加えることによってイオンドラッグ流れの生成を可能。にします。1 x 1 mm²の断面の流路に集中しているイオンは、電気泳動輸送経路に対応する液体の流れの方向を決定します。両方の方法で、EHD 流れの生成に必要な電気の電圧差は 2 V の整流イオン輸送経路近くまで大幅に短縮します。

概要

最近では、液体フロー制御技術は、マイクロ・ナノデバイス¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,のアプリケーションの関心のため注目をされています。⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵. 水溶液とイオン液体など、極のソリューションではイオンと電気的荷電粒子通常液体流れの電気料金についてもたらします。このような偏波の粒子の輸送分子操作⁶^,¹⁰^、¹¹^,¹³^,¹⁴などの様々なアプリケーションの拡張を提供します。^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷、イオンダイオードデバイス¹²^,¹⁸、および液体の流れは、¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²を制御します。Stuetzer¹^,²イオンドラッグポンプの発明以来、EHD 流れは液体フロー制御システムの該当する現象をされています。メルヒャーとテイラーの³は、EHD 流れの理論的枠組みが見直されているし、いくつかの優れた実験を示したも重要な記事を掲載しました。サヴィル⁴と彼の同僚の²³^,²⁴ EHD 液体技術の次の展開に貢献。しかし、数十 kV の¹^,²を分極しなさいそれらに油などの非極性ソリューションで電荷を注入する液体に適用されるため、電気の力によって駆動される液体の流れを誘導するいくつかの制限があった^,³. 1.23 V よりも高い電位による水の電気分解のソリューションの特性を変更して、ソリューションが不安定になりますので、これは水溶液の欠点。

マイクロ・ (4) ナノフルイディックチャネルチャネルの壁の表面電荷を引き起こす外部電界²⁵^,²⁶^,^{27 電気浸透流 (プロット) を効果的に誘発するポリマー濃度} ^,^,²⁸²⁹。プロットを使用して、いくつかの液体ポンプ技術は、水溶液、電気電圧³⁰^,³¹^,³²を減らすことで適用されています。その一方で、で張らはマイクロ・ナノ表面領域なる液体の量をより優位に生成されているに制限されます。さらに、壁の表面に非常に近い高濃度のイオンのトランスポートに応じてなど電気二重層ですべり境界のみ発生圧力勾配⁷^,を作るのに十分ではないかもしれない液体の流れ⁸^,²²^,²⁶^,²⁷。大丈夫、チャンネルの寸法や塩濃度などのチューニングは EOF のアプリケーションに必要です。対照的に、EHD 流れ力が溶剤を低下を避けるためにアプリケーション電圧が可能になる場合、固まりおよびエネルギーを輸送できるよう体で駆動。最近では、一部の研究者は、低電圧³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶EHD 流れのアプリケーションを示唆しています。これらの技術はまだ実装されていないが、フロンティアは拡大が見込まれます。

以前の研究で水溶液³⁷^,³⁸^,³⁹^,⁴⁰の EHD 流れに関する実験的・理論的作業を実施しました。それは、イオン輸送経路の整流は電界下電気体力を引き起こす電気的荷電のソリューションを生成する有効であるはずだった。イオン交換膜と膜を交差流路を用いたイオン電流を是正することができました。流れに集中している陽イオン、陰イオン交換膜を適用すると、チャネル、溶剤をドラッグし、EHD 流れ³⁷^,³⁸^,³⁹を開発しました。イオンの移動度の違い陽イオンと陰イオンの電流を分離するとき重要な要因であった。イオン交換膜は、イオン選択性によりモビリティを調節するため効果的に働いた。イオン輸送現象もイオン電流密度電界⁴¹によって影響の観点から検討しました。これらの研究は、単一分子、すなわち、マイクロと、モーションの影響熱的ゆらぎ¹¹^,¹⁶^,17^{ナノ粒子開発の操作テクニックに実りされています。}.で張らと EHD 流れは、圧力勾配と同様に正確なフロー制御方法のさまざまなを展開する予定です。

本研究では水溶液中の EHD 流れにドライブする 2 つの方法を紹介します。まず、作動流体の NaOH 溶液を使用して、EHD 流れ³⁷^,³⁸^,³⁹を駆動します。陰イオン交換膜は、液体を 2 つの部分に分割します。1 × 1 mm の断面積と長さ 3 mm のポリジメチルシロキサン (PDMS) の流路は、膜を貫通します。2.2 V の電位を適用すると、OH⁻イオン、H⁺、ナ⁺の電気泳動の輸送は、電界に沿って誘導されます。陰イオン交換膜と流路は効果的に陰イオンが膜を通過支配的、両方の種は通常反対の方向で移動が流路の陽イオンを集中、イオン輸送経路を分離する作業します。電気的中性を維持します。したがって、このような状態では、液体の流れの原動力は発生しません。この構造は、1 mm 程度の流れの速度に達すると EHD 流動を生成することが重要/チャネルのため、外部の電場によって加速された陽イオンを高濃度ドラッグ溶媒分子。EHD 流れの観察を行い、図 1に示すように、顕微鏡と高速カメラを使用して記録します。第二に、イオン交換膜で区切られた 2 つの液相の濃度差によって生成される電気分極状態イオン交換膜⁴⁰を横断します。本研究では、液体中の物体力に適用することが望ましい状況が発生イオン分布と対応する電位の平衡にかなり待っている時間の重要性を見つけます。イオン交換膜を横断、弱く偏光状態が実現されます。このような状態で外部から電界誘導方向イオン輸送液体に体の力を生成して溶媒にイオンから運動量輸送が EHD 流れを開発してその結果。

前述のように、現在のデバイス成功数ボルトの電圧差を大幅に減少し、このメソッドは、水溶液、使用できますが、従来の電荷注入法必要数十 kV と非水溶液への適用に限定されます。