Generatie en de controle van de Electrohydrodynamic stroomt in waterig elektrolyt oplossingen

Onlangs, vloeibare stroom controletechnieken hebben aangetrokken veel aandacht vanwege interesse in de toepassingen van micro- en nanofluidic apparaten^{1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15}. in polar oplossingen, zoals waterige oplossingen en Ionische vloeistoffen, ionen en elektrisch geladen deeltjes meestal brengen over elektrische ladingen in vloeibare stromen. Het vervoer van dergelijke gepolariseerde deeltjes biedt een uitbreiding van verschillende toepassingen, zoals één-molecuul manipulatie^{6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17}, ion diode apparaten^12,18, en vloeibare stroom bepalen^19,20,21,22. EHD stroom is sinds een toepasselijke fenomeen voor vloeibare stroom besturingen Stuetzer^1,2 uitgevonden de ion slepen pomp. Melcher en Taylor³ publiceerde een belangrijk artikel waarin het theoretische kader van EHD stroom werd goed beoordeeld en enkele opmerkelijke experimenten werden ook gedemonstreerd. Saville⁴ en zijn collega’s^23,24 bijgedragen aan de volgende expansie van EHD technologieën in vloeistoffen. Er waren echter enkele beperkingen aan inducerende vloeibare stromen gedreven door de elektrische krachten, omdat tientallen kV worden toegepast in vloeistoffen moeten te injecteren van elektrische ladingen in apolaire oplossingen, zoals oliën, om te polariseren hen^{1,2 , 3}. Dit is een nadeel voor waterige oplossingen omdat de elektrolyse van water dat wordt veroorzaakt door een elektrische potentiaal hoger dan 1.23 V Hiermee wijzigt u de kenmerken van oplossingen en de oplossingen unstable maakt.

In de kanalen van micro- en nanofluidic veroorzaken oppervlakte beschuldiging van kanaal muren de concentratie van counterions die effectief electroosmotic stromen (EOFs induceren) onder Extern toegepaste elektrische velden^{25,26,27 2928, ,}. Met behulp van EOFs, zijn sommige vloeibare pompen technieken toegepast in waterige oplossingen, vermindering van de elektrische spanningen^30,31,32. Aan de andere kant, zijn de EOFs beperkt tot wordt gegenereerd in micro- en nanospaces waarin oppervlakten meer dominant dan vloeibare volumes geworden. Bovendien, afhankelijk van het vervoer van sterk geconcentreerde ionen zeer dicht bij de muur oppervlakken, zoals in elektrische dubbele lagen, de grens van de slip alleen zorgt ervoor dat de vloeibare stroom, die niet voldoende wellicht om druk verlopen^{7, 8 , 22 , 26 , 27}. Fijnafstemming, zodanig kanaal afmetingen en zout concentraties, is vereist voor de toepassingen van het EOF. Daarentegen stroomt EHD gedreven door lichaam krachten lijken te zijn beschikbaar voor het vervoer van massa en energie als de spanningen van de toepassing kunnen worden verlaagd om te voorkomen dat vernederende oplosmiddelen. Onlangs, hebben sommige onderzoekers gesuggereerd toepassingen van EHD stromen met lage spanningen^33,34,35,^,,³⁶. Hoewel deze technologieën nog niet omgezet zijn, verwachting de grenzen uit te breiden.

In eerdere studies leidee we experimentele en theoretische werk over EHD stromen in waterige oplossingen^37,38,39,40. Het was de bedoeling dat de rectificatie van ion vervoer opleidingstrajecten werkzaam was voor het genereren van elektrisch geladen oplossingen waardoor elektrische lichaam krachten onder elektrische velden. Met behulp van een ionenwisseling membraan en een stroom kanaal oversteken van het membraan, konden we corrigeren Ionische stromingen. Bij de toepassing van een membraan anion-uitwisseling, caties geconcentreerd in de stroom kanaal sleepte de oplosmiddelen en ontwikkelde een EHD stroom^37,38,39. Een verschil in de mobiliteit van ion soorten was een belangrijke factor bij het scheiden van de kationische en anionische stromingen. Ionenwisselaarmembranen effectief gewerkt aan het moduleren van de mobiliteit als gevolg van de ion-selectiviteit. Ion transportverschijnselen werden ook onderzocht vanuit het oogpunt van Ionische stroomdichtheid beïnvloed door toegepaste elektrische velden⁴¹. Deze studies hebben opgeleverd voor de ontwikkelingslanden manipulatie technieken voor afzonderlijke moleculen, namelijk micro- en nanodeeltjes, waarvan bewegingen zijn sterk beïnvloed door thermische schommelingen^11,16,17 . EOFs EHD stromen naar verwachting uit te breiden van de verscheidenheid van precieze stroming bestrijdingsmethoden evenals druk verlopen.

In deze studie tonen we twee methoden tot station EHD stromen in waterige oplossingen. Ten eerste, een NaOH oplossing wordt gebruikt voor een werkmedium te rijden een EHD stroom^37,38,39. Een membraan anion-uitwisseling scheidt de vloeistof in twee delen. Een Polydimethylsiloxaan (PDMS) stroom kanaal met een doorsnede van 1 x 1 mm en een lengte van 3 mm doordringt het membraan. Door een elektrische potentiaal van 2.2 V toe te passen, wordt het elektroforetisch vervoer van nb⁺, H⁺en OH⁻ ionen veroorzaakt langs de elektrische velden. Een membraan anion-uitwisseling en een stroom kanaal werken effectief om te scheiden van de ion vervoer paden, waar anionen dominant passeren van het membraan en kationen concentreren in het kanaal van de stroom, hoewel beide soorten gewoonlijk in tegengestelde richtingen bewegen, behoud van de electroneutrality. Dus veroorzaakt geen dergelijke voorwaarde een drijvende kracht voor vloeibare stromen. Deze structuur is cruciaal voor het genereren van een stroom van de EHD waarvan flow snelheid over de volgorde van 1 mm bereikt/s in het kanaal omdat hooggeconcentreerde caties versneld door externe elektrische velden slepen oplosmiddel moleculen. EHD stromen worden geobserveerd en geregistreerd met behulp van een microscoop en een high-speed camera zoals getoond in Figuur 1. Ten tweede, een concentratie verschil tussen twee vloeibare fasen gescheiden door een ionenwisseling membraan zorgt ervoor dat een elektrisch gepolariseerde voorwaarde moeten worden gegenereerd overschrijding van een ionenwisseling membraan⁴⁰. In deze studie vinden we het belang van een aanzienlijke wachttijd equilibreer ion distributies en een overeenkomstige elektrische potentiaal, waardoor beter voorwaarden toe te passen op de kracht van een lichaam in een vloeistof. Overschrijding van de ionenwisseling membraan, wordt een zwak gepolariseerde voorwaarde bereikt. In zulk een voorwaarde, een extern toegepast elektrisch veld induceert directionele ion vervoer dat een kracht van het lichaam in een vloeistof genereert, en dientengevolge, de overdracht van de impuls van de ionen naar het oplosmiddel ontwikkelt een EHD stroom.

Zoals hierboven vermeld, de huidige apparaten slagen het toegepaste spanningsverschil tot een paar volt drastisch te verlagen, en dus is deze methode kan worden gebruikt voor waterige oplossingen, hoewel de conventionele elektrische lading injectie methoden tientallen kV vereist en zijn beperkt tot een verzoek tot niet-waterige oplossingen.