Поколения и контроль над Электрогидродинамическое потоков в водный электролит решения

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

doi:10.3791/57820

АВТОРЫ

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Method Article

Поколения и контроль над Электрогидродинамическое потоков в водный электролит решения

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.

Резюме

Исправление путей переноса ионов является эффективным методом для создания потоков однонаправленный тащили Ион Электрогидродинамическое. Устанавливая ионообменные мембраны в канале потока, электрически поляризационные состояния создается и вызывает поток жидкости управляться внешне применяется электрическое поле.

Аннотация

Диск Электрогидродинамическое (ЭГД) потоков в водных растворах, разделение катион и анион транспортных путей имеет важное значение потому, что режиссер электрические тело силы индуцированных ионных движений в жидкости. С другой стороны положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу, и электронейтральности поддерживается повсюду в условиях равновесия. Кроме того увеличение приложенного напряжения должен быть подавлены избежать электролиза воды, что приводит решения становятся нестабильными. Обычно ЭГД потоков может быть наведено в неводных растворах, применяя чрезвычайно высоких напряжений, таких как десятки кв, придать электрических зарядов. В этом исследовании вводятся два методы генерировать потоки ЭГД, вызванного электрического заряда цветоделения в водных растворах, где две жидкой фазы разделяются ионообменные мембраны. Из-за разницы в ионной подвижности в мембране ионная концентрация поляризации индуцируется между обеими сторонами мембраны. В этом исследовании мы демонстрируем два метода. (i релаксации градиенты концентрации ионов происходит через канал потока, который проникает ионообменные мембраны, где транспорта медленнее видов в мембране выборочно становится доминирующим в канале потока. Это является движущей силой для создания ЭГД потока жидкости. (ii) долгое время ожидания для диффузии ионов, проходя через мембраны ионообменные позволяет создавать поток ионов тащили применяя внешнего электрического поля. Ионов, сосредоточены в канале потока 1 x 1 мм² сечения определяют направление потока жидкости, соответствующий электрофоретической транспортных путей. В обоих методах разница электрического напряжения, необходимые для потока поколения ЭГД резко уменьшается до вблизи 2 V путем исправления путей переноса ионов.

Введение

Недавно методы контроля потока жидкости привлекли большое внимание из-за интереса в приложениях микро - и nanofluidic устройств^,¹²^,³^,⁴^,⁵^, ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵. в полярных решений, таких как водные растворы и ионных жидкостей, ионов и электрически заряженных частиц обычно приносят об электрических зарядов в жидких потоков. Перевозка таких поляризованных частиц обеспечивает расширение различных приложений, таких как сингл молекула манипуляции⁶^,¹⁰^,¹¹^,¹³^,¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷, ионный диод устройства¹²^,¹⁸и жидкий поток управления¹⁹^,²⁰^,^,²¹²². ЭГД поток был применимым явление для систем контроля расхода жидкости Stuetzer¹^,² изобрел Ион перетащить насоса. Melcher и Тейлор³ опубликовал важную статью в котором теоретические основы ЭГД потока хорошо рассмотрел и некоторые выдающиеся эксперименты были также продемонстрированы. Савиль⁴ и его коллеги²³^,²⁴ способствовали следующие расширения ЭГД технологий в жидкости. Однако существуют некоторые ограничения, чтобы заставить жидких потоков, обусловлен электрических сил, потому что десятки кв должны применяться в жидкости придать электрических зарядов в неполярных решений, таких как масла, чтобы поляризовать их¹^,² ^, ³. это недостаток для водных растворов, потому что электролиз воды, которая индуцируется электрический потенциал, выше, чем 1.23 V меняет характеристики решений и делает решения нестабильной.

В микро - и nanofluidic каналы поверхности обвинения стенок канала вызывают концентрации counterions, которые эффективно стимулировать потоки Электроосмотическое (ВФ) под внешне прикладной электрического поля²⁵^,²⁶^,²⁷ ^,^,²⁸²⁹. С помощью ВФ, некоторые жидкие насосных методы применялись в водных растворах, уменьшение электрического напряжения³⁰^,^,³¹³². С другой стороны ВФ ограничены создаются в микро - и nanospaces, в котором площади поверхности становятся более доминирующей чем жидкий томов. Кроме того в зависимости от транспорта высокой концентрации ионов очень вблизи поверхности стен, таких как в электрических двойных слоев, границы скольжения только вызывает потока жидкости, которая не может быть достаточно, чтобы сделать давление градиенты⁷^, ⁸ ^, ²² ^, ²⁶ ^, ²⁷. Тонкая настройка, таким образом, чтобы размеры канала и концентрация соли, не требуется для приложений EOF. В отличие от ЭГД потоков определяется органом, которую силы, как представляется, быть доступны для транспортировки массы и энергии, если приложения напряжения может быть сокращены, чтобы избежать унижающего достоинство растворителей. Недавно некоторые исследователи предложили приложений ЭГД потоков с низким напряжением³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶. Хотя эти технологии еще не были выполнены, границы предполагается расширить.

В предыдущих исследованиях мы также провели экспериментальные и теоретические работы по ЭГД потоков в водных растворах³⁷^,^,³⁸³⁹^,⁴⁰. Предполагалось, что исправление путей переноса Иона был эффективным сформировать электрически заряженных решения, которые вызывают электрические тело силы под электрических полей. С помощью ионообменных мембран и канал потока через мембрану, мы смогли исправить ионных токов. При применении Анионообменная мембраны, катионы сосредоточены в потоке канал тащили растворителей и разработал ЭГД потока³⁷^,^,³⁸³⁹. Разница в подвижности ионов видов является важным фактором при разделении катионные и анионными течений. Ионообменные мембраны эффективно работал для модуляции мобильность благодаря избирательности Ион. Явления переноса иона также были исследованы с точки зрения ионных плотности тока, под влиянием прикладной электрического поля⁴¹. Эти исследования были плодотворными для развивающихся методов манипуляции для одной молекулы, а именно, микро - и наночастиц, чьи ходатайства сильно пострадавших от тепловых колебаний¹¹^,¹⁶^,¹⁷. ЭГД потоков и ВФ предполагается расширить разнообразие методов точного потока управления, а также давление градиентов.

В этом исследовании мы демонстрируем два метода для привода ЭГД потоков в водных растворах. Во-первых раствор NaOH используется для рабочей жидкости для привода ЭГД потока³⁷^,^,³⁸³⁹. Анионообменная мембрана отделяет жидкости на две части. Полидиметилсилоксан (PDMS) канал потока с сечением 1 x 1 мм и длиной 3 мм проникает мембраны. Применяя электрический потенциал 2.2 V, электрофоретической перевозки Na⁺, H⁺и ионы OH⁻ индуцируется вдоль электрического поля. Анионообменная мембраны и канал потока эффективно работать для разделения пути переноса ионов, где анионов преимущественно проходят через мембрану и катионов сосредоточиться в канале потока, хотя оба вида обычно двигаться в противоположных направлениях, поддержание электронейтральности. Таким образом такое условие не вызывает движущей силой для жидких потоков. Эта структура имеет решающее значение для генерации ЭГД поток, скорость потока которых достигает порядка 1 мм/s в канале потому что высококонцентрированный катионов ускорился от внешних электрических полей перетащите молекул растворителя. ЭГД потоки наблюдается и записанная с помощью микроскопа и высокоскоростной камеры, как показано на рисунке 1. Во-вторых, концентрация разница между двух жидких фаз, разделенных ионообменные мембраны вызывает электрически поляризационные состояния создаваемого пересечения ионообменные мембраны⁴⁰. В этом исследовании мы находим значение значительное время ожидания чтобы сбалансировать Ион дистрибутивов и соответствующий электрический потенциал, которые вызывают предпочтительным условий для применения силы тела в жидкости. Пересекая ионообменные мембраны, слабо поляризационные состояния достигается. В таком состоянии внешне прикладной электрическое поле вызывает направленного ионного транспорта, который генерирует силу тела в жидкости, и в результате передачи импульса от ионов растворителя развивается ЭГД потока.

Как упоминалось выше, настоящий устройства успешно резко уменьшается разница несколько вольт приложенное напряжение, и таким образом этот метод может использоваться для водных растворов, хотя инъекций методы обычного электрического заряда требуется десятки кв и ограничены к приложению для не водные растворы.