水电解质溶液中 Electrohydrodynamic 流的产生与控制

近年来, 液体流量控制技术引起了人们的广泛关注, 因为它对微 nanofluidic 器件的应用有很大的兴趣^{1、2、3、4、5、6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}. 在极性溶液中, 如水溶液和离子液体, 离子和带电粒子通常会在液体流动中产生电荷。这种极化粒子的传输提供了各种应用的扩展, 如单分子操作^{6、10、11、13、14,15,16,17}、离子二极管器件^12、18、液体流量控制^{19、20、21、22}。EHD 流是 Stuetzer 1 以来液体流量控制系统的一个适用现象^,2发明了离子拖动泵。Melcher 和泰勒³发表了一篇重要文章, 其中 EHD 流的理论框架进行了很好的回顾和一些突出的实验也证明。萨维尔⁴和他的工友^23,24贡献了 EHD 技术的以下扩展在液体。然而, 有一些限制, 以诱导液体流驱动的电力, 因为有数以万计的 kV 必须应用在液体中注入电荷的非极性溶液, 如油, 极化他们^1,2,3. 这是水溶液的一个缺点, 因为电位高于 1.23 V 的电电解会改变溶液的特性, 使溶液不稳定。

在微和 nanofluidic 通道中, 通道壁的表面电荷导致 counterions 在外部应用电场^25、26、27 下有效诱导渗流 (EOFs) 的浓度. ^,28,29。使用 EOFs, 一些液体泵浦技术已应用于水溶液中, 降低了电压^30,31,32。另一方面, EOFs 被限制在微观和 nanospaces 中产生, 而表面区域比液体体积更具优势。此外, 由于高度集中离子的传输非常接近壁面, 如在电双层, 滑移边界只导致液体流动, 这可能不足以使压力梯度^7,8,22,26,27. 用于 EOF 的应用需要微调, 如通道尺寸和盐浓度。相比之下, 如果可以降低应用电压, 以避免降解溶剂, 则由身体力量驱动的 EHD 流似乎可以用于运输质量和能量。最近, 一些研究人员提出了低电压^{33、34、35、36}EHD 流的应用。虽然这些技术尚未实施, 但预计边界将会扩大。

在以前的研究中, 我们还对水溶液^{37、38、39、40}中的 EHD 流进行了实验和理论研究。在电场作用下, 离子传输通路的校正是产生带电的溶液的有效方法。通过使用离子交换膜和通过膜的流动通道, 我们能够矫正离子电流。在应用阴离子交换膜时, 离子集中在流道上, 将溶剂拖走, 形成了 EHD 流^37、38、39。离子和阴离子电流分离的一个重要的因素是在不同类型的阳离子和阴离子的流动。离子交换膜由于离子选择性而有效地调节了流动性。从⁴¹应用电场影响的离子电流密度的角度研究了离子传输现象。这些研究为发展单一分子的操作技术, 即微粒子和纳米微粒, 产生了丰硕的成果, 其运动受到热涨落^11、16、17 的强烈影响..EOFs 和 EHD 流量预计将扩大精确流量控制方法和压力梯度的各种。

在本研究中, 我们演示了两种在水溶液中驱动 EHD 流的方法。首先, 氢氧化钠溶液用于工作流体驱动 EHD 流^37,38,39。阴离子交换膜将液体分离成两部分。一个烷的流通道, 其截面为 1 x 1 毫米, 长度为3毫米, 穿透膜。利用 2.2 V 的电势, 沿电场诱导 Na⁺、H⁺和 OH⁻离子的电泳传输。阴离子交换膜和流道有效地分离出离子传输通路, 在那里, 阴离子主要通过膜和阳离子集中在流道中, 虽然两种通常在相反方向移动,维护 electroneutrality。因此, 这种情况不会造成液体流动的驱动力。这种结构对于产生一个 EHD 流, 其流速达到1毫米/秒在通道中的顺序是至关重要的, 因为由外部电场加速的高浓度阳离子会拖累溶剂分子。EHD 流是通过显微镜和高速相机观察和记录的, 如图 1所示。第二, 由离子交换膜分离的两个液相之间的浓度差导致了通过离子交换膜⁴⁰产生的电极化条件。在这项研究中, 我们发现了相当长的等待时间的重要性, 平衡离子分布和相应的电势, 这会导致更好的条件适用于身体的力量在液体中。通过离子交换膜, 实现了弱极化条件。在这种情况下, 外部应用电场诱导定向离子传输, 在液体中产生体力, 因此, 从离子到溶剂的动量转移发展出 EHD 流。

如上所述, 目前的装置成功地大幅度降低了应用电压差到几个伏特, 因此这种方法可以用于水溶液, 虽然传统的电荷注入方法需要数伏和仅限于非水溶液的应用。