توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية

في الآونة الأخيرة، وتقنيات مراقبة تدفق السائل اجتذبت الكثير من الاهتمام بسبب الاهتمام بالتطبيقات من الصغر ونانوفلويديك الأجهزة^1،2،3،،من^{45، 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15}-في حلول القطبية، مثل المحاليل والسوائل الأيونية، الأيونات والجسيمات المشحونة كهربائياً تجلب عادة عن الشحنات الكهربائية في تدفق السائل. نقل هذه الجزيئات المستقطبة يوفر توسع في تطبيقات مختلفة، مثل التلاعب جزيء واحد^{6،10،11،،}من^{1314 , 15 , 16 , 17}وأيون أجهزة أشباه الموصلات^12،18، وتدفق السائل التحكم^19،20،،من²¹²². تدفق EHD تم ظاهرة المطبقة لنظم التحكم في تدفق السائل منذ^1،ستويتزير² اخترع مضخة السحب أيون. ميلتشر وتايلور³ مقالا هامة التي تم استعراض الإطار النظري لتدفق EHD جيدا وكما أظهرت بعض التجارب غير المسددة. سافيل⁴ و^23،زملاء له²⁴ ساهمت في توسيع نطاق التكنولوجيات EHD في السوائل التالية. ومع ذلك، كانت هناك بعض القيود لحفز التدفقات السائلة مدفوعا بالقوى الكهربائية، لأن عشرات كيلو فولت يجب أن يطبق في السوائل لحقن الشحنات الكهربائية في حلول غير القطبية، مثل الزيوت، استقطاب منهم^{1،2 , 3}-هذا وضع غير مؤات للمحاليل للتحليل الكهربائي الماء الذي فعل الجهد الكهربائي أعلى من 1.23 V تغيير خصائص الحلول ويجعل الحلول غير مستقرة.

في قنوات نانوفلويديك والصغرى، يسبب التهم السطحية لجدران القناة تركيز كونتيريونس التي تحفز فعالية تدفقات اليكتروسموتيك (EOFs) تحت المجالات الكهربائية تطبيق خارجياً^{25،26،27 ،،}من²⁸²⁹. باستخدام EOFs، طبقت بعض تقنيات ضخ السائل في المحاليل، خفض الفولتية الكهربائية^30،،من³¹³². من ناحية أخرى، تقتصر EOFs التي يتم إنشاؤها في الصغر والتي تصبح المناطق السطحية الغالبة أكثر من حجم السائل نانوسباسيس. وعلاوة على ذلك، تبعاً لنقل أيونات مركزة بشكل كبير جداً قرب الجدار السطوح، مثل الكهربائية في الطبقات المزدوجة، الحدود كشف إلا يتسبب تدفق السائل، الذي قد لا يكون كافياً لجعل الضغط التدرجات^{7، 8 , 22 , 26 , 27}-غرامة ضبط، مثل أبعاد القناة وتركيزات الملح، مطلوب للتطبيقات لأشكال التعبير الفولكلوري. وفي المقابل، EHD التدفقات مدفوعة بهيئة القوات يبدو أن تكون متاحة للجماهير وطاقات النقل إذا يمكن تخفيض الفولتية التطبيق لتجنب اللاإنسانية المذيبات. في الآونة الأخيرة، اقترح بعض الباحثين تطبيقات تدفقات EHD مع الفولتية المنخفضة^33،34،،من³⁵³⁶. على الرغم من أن هذه التكنولوجيات لم تنفذ حتى الآن، من المتوقع الحدود توسيع.

في دراسات سابقة، وقد أجرينا أيضا الأعمال التجريبية والنظرية المتعلقة بتدفقات EHD في المحاليل^37،38،،من³⁹⁴⁰. كان من المفترض أن تصحيح مسارات النقل أيون كان فعالاً لتوليد حلول مشحونة كهربائياً تسبب قوات هيئة الكهرباء تحت المجالات الكهربائية. باستخدام غشاء تبادل الأيوني وقناة تدفق عبور الغشاء، كنا قادرين على تصحيح التيارات الأيونية. عند تطبيق غشاء تبادل شاردة، والكاتيونات تتركز في التدفق قناة جر المذيبات ووضعها EHD تدفق^37،،من³⁸³⁹. اختلاف في تنقل الأنواع أيون كان عاملاً مهما عند فصل التيارات أنيونى والموجبة. فعالية عمل أغشية التبادل الأيوني تعدل في التنقل بسبب الانتقائية أيون. كما تم التحقيق أيون النقل الظواهر من وجهة نظر الأيونية الكثافة الحالية التي تتأثر بالمجالات الكهربائية التطبيقية⁴¹. هذه الدراسات كانت مثمرة لتطوير تقنيات التلاعب للجزيئات واحدة، إلا وهي الصغرى وجسيمات نانوية، الاقتراحات التي تتأثر بشدة بالتقلبات الحرارية^11،16،17 . من المتوقع أن توسيع نطاق مجموعة متنوعة أساليب مراقبة تدفق دقيق، فضلا عن الضغط التدرجات EOFs وتدفقات EHD.

في هذه الدراسة، ونظهر طريقتين لمحرك الأقراص EHD التدفقات في المحاليل. أولاً، يتم استخدام حلاً هيدروكسيد الصوديوم لسائل العامل لمحرك الأقراص EHD تدفق^37،،من³⁸³⁹. يفصل غشاء تبادل شاردة السائل إلى قسمين. قناة تدفق بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) مع شريحة من 1 × 1 مم وطولها 3 ملم تخترق الغشاء. عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي من 2.2 الخامس، فعل النقل الغرواني الكهربي نا⁺، ح⁺وأيونات OH⁻ على طول الحقول الكهربائية. غشاء تبادل شاردة وقناة لتدفق العمل بفعالية لفصل مسارات النقل أيون، حيث الأنيونات المهيمن تمر عبر الغشاء وتركيز الكاتيونات في قناة التدفق، وعلى الرغم من أن كلا من الأنواع عادة التحرك في اتجاهين متعاكسين، الحفاظ اليكترونيوتراليتي. وهكذا، مثل هذا شرط لا يسبب قوة دافعة للتدفقات السائلة. هذا الهيكل حاسم لتوليد تدفق EHD سرعة التدفق الذي يصل إلى حدود 1 مم/s في القناة لأن التركز الشديد للاتصالات إلى التعجيل بالمجالات الكهربائية الخارجية سحب جزيئات المذيبات. لاحظ تدفقات EHD وتسجيلها باستخدام مجهر وكاميرا عالية السرعة كما هو مبين في الشكل 1. ثانيا، فرق تركيز بين مرحلتين السائل مفصولة غشاء تبادل الأيوني يسبب شرط مستقطب كهربائياً إلى إنشاء معبر غشاء تبادل الأيوني⁴⁰. وفي هذه الدراسة، نجد أهمية وقت الانتظار طويل حجته توزيعات أيون والجهد كهربائي مقابلة، التي تسبب الظروف الأفضل لتطبيقه على قوة جسم في سائل. عبور غشاء التبادل الأيوني، ويتحقق شرط ضعيفة استقطاب. في مثل هذه حالة، مجال الكهربائي تطبيق خارجياً يدفع النقل أيون الاتجاه الذي يولد قوة جسم في سائل، ونتيجة لذلك نقل الزخم من الأيونات المذيب يطور تدفقا EHD.

كما ذكر أعلاه، الأجهزة الحالية تنجح في تخفيض جذري فرق الجهد المطبق على فولت قليلة، وبالتالي هذا الأسلوب يمكن أن تستخدم للمحاليل، على الرغم من أن أساليب حقن تهمة الكهربائية التقليدية تتطلب عشرات كيلو فولت و تقتصر على تطبيق حلول غير المائية.