Üretimi ve Electrohydrodynamic kontrolünü akar sulu elektrolit çözümlerinde

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

doi:10.3791/57820

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

Özet
Özet
Giriş
Protokol
Sonuçlar
Tartışmalar
Açıklamalar
Teşekkürler
Malzemeler
Referanslar
Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

İyon taşıma yolları düzeltme tek yönlü electrohydrodynamic iyon sürükledi akışları oluşturmak için etkili bir yöntemdir. Bir iyon değiştirme membran bir akışı kanal olarak ayarlayarak, elektriksel olarak polarize bir koşulu oluşturulur ve bir elektrik alanı dışarıdan uygulandığında yönlendirilmesi için sıvı akışı neden olur.

Özet

Yönlendirilmiş elektrik vücut kuvvet iyonik hareket sıvı ile bağlı olmak zorunda çünkü electrohydrodynamic (EHD) sürücü için sulu çözümler içinde katyon ve anyon ulaşım yollarının ayrılması önemlidir akar. Öte yandan, pozitif ve negatif ücretleri birbirlerine çekmek ve electroneutrality her yerde denge koşullarda korunur. Ayrıca, çözümleri kararsız hale gelmesine neden olan su elektroliz önlemek için bastırılması uygulanan bir gerilim bir artış vardır. Genellikle, EHD akışı içinde sulu olmayan çözümler kV, onlarca gibi son derece yüksek gerilim uygulayarak elektrik ücretleri enjekte etmek için indüklenen. Bu çalışmada, sulu çözümler nerede iki sıvı aşamalı bir iyon değiştirme membran tarafından ayrılır, elektrik akımı ayrımları tarafından indüklenen EHD akışları oluşturmak için iki yöntem tanıtılmaktadır. İyonik hareketlilik zarda bir farkı nedeniyle, iyon konsantrasyonu polarizasyon membran her iki taraf arasında indüklenen. Bu çalışmada, biz iki yöntem göstermek. (i) iyon konsantrasyonu degradeler gevşeme ile nerede daha yavaş tür zarda taşıma seçerek akışı kanalda baskın hale bir iyon değiştirme membran nüfuz bir akışı kanal oluşur. Bu sıvı içinde bir EHD akışı oluşturmak için bir itici güçtür. (II) uzun bir bekleme süresi difüzyon iyon değiştirme membran geçen iyonlar için dışarıdan bir elektrik alanı uygulayarak bir iyon sürükledi akışı nesil sağlar. 1 x 1 mm² kesit akışı kanalda konsantre iyonları elektroforetik taşıma yolları karşılık gelen sıvı akış yönünü belirler. Her iki yöntem de bir EHD akışı oluşturulmasında gerekli elektrik voltaj farkı büyük ölçüde iyon taşıma yolları takviyeli-tarafından 2 V yakınındaki azalır.

Giriş

Son zamanlarda, sıvı akış denetim teknikleri mikro - ve nanofluidic cihazları¹^,²^,³^,⁴^,⁵^, uygulamaları ilgi nedeniyle çok ilgisini çekti var ⁶ ^, ⁷ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵. sulu çözümler ve İyonik Sıvılar, gibi kutup çözümleri iyonları ve elektrikle yüklü parçacıklar genellikle sıvı akışı içinde elektrik masrafları getirmek. Böyle polarize parçacıklar taşımacılığının tek molekül manipülasyon⁶^,¹⁰^,¹¹^,¹³^,¹⁴ gibi çeşitli uygulamalar bir genişleme sağlar ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁹^,²⁰^,²¹^,²² ¹⁷, iyon diyot aygıtları¹²^,¹⁸ve sıvı akışı kontrol. Stuetzer¹^,² iyon sürükle pompa icat edildiğinden beri EHD akışı sıvı akış kontrol sistemleri için geçerli bir fenomen oldu. Melcher ve Taylor³ EHD akışı kuramsal çerçeve de gözden geçirildi ve üstün bazı deneyler de gösterdi önemli bir makale yayınladı. Saville⁴ ve onun arkadaşları²³^,²⁴ sıvı EHD teknolojileri aşağıdaki genişlemesi katkıda bulunmuştur. Ancak, sıvı yağlar onları¹^,² kutuplaştırmak için gibi polar olmayan çözümlerinde elektrik ücretleri enjekte uygulanacak kV onlarca var çünkü sıvı akar elektrik güçleri tarafından tahrik inducing bazı sınırlamalar vardı ^, ³. bir elektrik potansiyeli 1.23 V yüksek tarafından indüklenen su elektroliz çözümleri özelliklerini değiştirir ve çözümleri kararsız hale getirir çünkü bu sulu çözümler için bir dezavantaj olduğunu.

Mikro - ve nanofluidic kanalları, kanal duvarları yüzey suçlamalardan etkili electroosmotic akar (EOFs) neden counterions konsantrasyonu dışarıdan uygulanan elektrik alanlar²⁵^,²⁶altında^,^{27 neden} ^,²⁸^,²⁹. EOFs kullanarak, bazı sıvı pompa teknikleri elektrik voltaj³⁰^,³¹^,³²azaltarak sulu çözümler uygulandı. Öte yandan, EOFs mikro - ve yüzey alanlarını sıvı birimlere göre daha baskın hale nanospaces için oluşturulan sınırlıdır. Ayrıca, yüksek konsantrasyonlu iyonları duvar yüzeyleri çok yakın ulaşım bağlı olarak gibi elektrikli çift katman içinde kayma sınır sadece basınç gradyanları⁷^, yapmak yeterli olmayabilir sıvı akışını neden olur ⁸ ^, ²² ^, ²⁶ ^, ²⁷., kanal ve tuz konsantrasyonları, gibi ince EOF uygulamalar için gereklidir. Buna ek olarak, EHD kuvvetleri çözücüler düşürmesini önlemek için uygulama gerilimleri azalır eğer kitleler ve enerjileri taşımak kullanılabilir görünüyor vücut tarafından tahrik akar. Son zamanlarda, bazı araştırmacılar EHD akışı düşük voltaj³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶ile uygulamaları tavsiye ettiler. Her ne kadar bu teknolojileri henüz uygulamaya değil, sınırlarını genişletmek için bekleniyor.

Önceki çalışmalarda, biz de deneysel ve teorik çalışma EHD akışlarında sulu çözümler³⁷^,³⁸^,³⁹^,⁴⁰üzerinde yürütülen. İyon taşıma yolları düzeltme elektrik vücut kuvvetleri elektrik alanlar'ın altında neden elektrikle şarj edilmiş çözümler üretmek etkili gerekiyordu. Bir iyon değiştirme membran ve membran geçiş akışını kanal kullanarak, biz iyonik akımları düzeltmek başardık. Bir anyon-Satım membran uygulanırken, katyonlar konsantre akışında kanal çözücüler sürükledi ve geliştirilen bir EHD akışı³⁷^,³⁸^,³⁹. İyon türler hareketliliğini bir fark anyonik ve katyonik akımları ayıran önemli bir faktör oldu. İyon değiştirme membranlar etkili hareketlilik nedeniyle iyon seçicilik modüle için çalıştı. İyon Taşıma olayları da iyonik akım yoğunluğu tarafından uygulanan elektrik alanları⁴¹etkiledi bakış açısından araştırıldı. Bu çalışmalar tek molekülleri, yani, mikro ve nano tanecikleri, kimin hareketleri şiddetle termal dalgalanmaları¹¹^,¹⁶tarafından^,^{17 etkilenen gelişmekte olan manipülasyon teknikleri için verimli olmuştur}. EOFs ve EHD akışı hassas akış kontrol yöntemleri çeşitli genişletmek gibi degradeler basınç bekleniyor.

Bu çalışmada, sürücü EHD akışlarında sulu çözümler için iki yöntemleri göstermektedir. İlk olarak, bir NaOH çözüm için bir çalışma sıvı bir EHD akışı³⁷^,³⁸^,³⁹sürücü için kullanılır. Bir anyon-Satım membran sıvı iki bölüme ayırır. Polydimethylsiloxane (PDMS) akışı Kanal 1 x 1 mm kesit ve 3 mm uzunluğu ile membran nüfuz eder. 2.2 V elektrik potansiyelinin uygulayarak, Na⁺, H⁺ve OH⁻ iyonları elektroforetik taşımacılığının elektrik alanları indüklenen. Bir anyon-Satım membran ve akışı kanal nerede anyon baskın membran geçmek ve her iki tür genellikle ters yönde hareket olsa da katyonlar akışı kanalda konsantre iyon taşıma yolları ayırmak için etkin çalışan, electroneutrality devam ediyoruz. Bu nedenle, böyle bir durum sıvı akışı için itici bir güç neden olmaz. Bu yapı olan akış hızı 1 mm sırasına ulaşır bir EHD akışı oluşturmak için önemlidir/s kanal çünkü son derece konsantre katyonlar tarafından dış elektrik alanları hızlandırılmış çözücü molekülleri sürükleyin. EHD akar gözlenen ve mikroskop ve yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi Şekil 1' de gösterildiği gibi kullanarak kaydedildi. İkinci olarak, bir konsantre fark bir iyon değiştirme membran tarafından ayrılmış iki sıvı aşamalar arasına oluşturulacak bir elektriksel olarak polarize durumu neden olur bir iyon değiştirme membran⁴⁰geçiş. Bu çalışmada, bir sıvı bir vücut kuvvet uygulamak tercih koşullar neden iyon dağılımları ve karşılık gelen elektrik potansiyeli, equilibrate için önemli bir bekleyen zaman önemini bul. İyon değiştirme membran crossing, zayıf polarize bir durum elde edilir. Böyle bir durumda dışarıdan uygulanan elektrik alan bir sıvı içinde bir gövde güç üretir yönlü iyon taşıma indükler ve sonuç olarak, ivme transfer iyonlarının çözücü bir EHD akışı geliştirir.

Yukarıda belirtildiği gibi mevcut cihazlar birkaç volt uygulanan gerilim farkı azalan sırasına göre büyük ölçüde başarılı ve bu nedenle bu yöntem geleneksel elektrik akımı enjeksiyon yöntemleri kV onlarca gerekli, ancak sulu çözümler için kullanılabilir ve sulu olmayan çözümler uygulamaya sınırlıdır.