Geração e controle de Electrohydrodynamic flui em soluções aquosas de eletrólito

Recentemente, técnicas de controle de vazão de líquidos têm atraído muita atenção por causa de juros nas aplicações de microe nanofluidos dispositivos^{1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15}. em soluções polares, tais como soluções aquosas e líquidos iônicos, íons e eletricamente partículas carregadas geralmente trazem sobre cargas elétricas em fluxos líquidos. O transporte de tais partículas polarizadas fornece uma expansão de várias aplicações, tais como manipulação de único-molécula^{6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17},^1812,dispositivos do diodo íon e o fluxo líquido de controle^19,20,21,22. Fluxo de DHE desde um fenômeno aplicável para sistemas de controle de vazão de líquidos Stuetzer^1,2 inventou a bomba de arraste de íons. Melcher e Taylor³ publicou um artigo importante em que o quadro teórico de fluxo EHD bem foi revisado e algumas experiências de destaque também foram demonstradas. Saville⁴ e seus colegas de trabalho^23,24 contribuíram para a expansão do seguinte das tecnologias EHD em líquidos. No entanto, houve algumas limitações para induzir fluxos líquidos, impulsionados por forças elétricas, porque dezenas de kV têm de ser aplicadas em líquidos para injetar as cargas elétricas nas soluções não-polares, tais como óleos, polarizar os^{1,2 , 3}. esta é uma desvantagem para soluções aquosas, porque a electrólise da água que é induzido por um potencial elétrico superior 1,23 V altera as características das soluções e faz com que as soluções instáveis.

Em canais de microe nanofluidos, cargas de superfície das paredes do canal causam a concentração dos counterions que efetivamente induzir fluxos de electroosmotic (EOFs) sob aplicados externamente campos elétricos^{25,26,27 ,28,29}. Usando EOFs, algumas técnicas de bombeamento de líquido foram aplicadas em soluções aquosas, reduzindo as tensões elétricas^30,31,32. Por outro lado, EOFs limitam-se a ser gerado no micro e nanospaces, em que áreas de superfície se tornam mais dominantes que volumes de líquido. Além disso, dependendo do transporte de íons altamente concentrados de muito perto as superfícies de parede, tais como em camadas dobro elétricas, o limite de deslizamento só faz com que o fluxo de líquido, que pode não ser suficiente para fazer de gradientes de pressão^{7, 8 , 22 , 26 , 27}. fine tuning, tais como dimensões do canal e concentrações de sal, é necessária para as aplicações de EOF. Em contraste, EHD flui impulsionado pelo corpo forças parecem estar disponíveis para o transporte de massas e energias se as tensões de aplicação podem ser reduzidas para evitar a degradação de solventes. Recentemente, alguns pesquisadores sugeriram aplicações de fluxos EHD com baixas tensões^33,34,35,36. Embora essas tecnologias ainda não foram implementadas, as fronteiras são esperadas para expandir.

Em estudos anteriores, também foi realizado trabalho experimental e teórico na EHD fluxos em soluções aquosas^37,38,39,40. Era suposto que a rectificação de vias de transporte do íon foi eficaz para gerar soluções eletricamente carregadas que causam as forças de corpo elétrico sob campos elétricos. Usando uma membrana de troca iônica e um canal de fluxo que atravessam a membrana, fomos capazes de retificar correntes iônicas. Ao aplicar uma membrana de troca aniónica, cátions concentraram no fluxo do canal arrastou os solventes e desenvolvido um EHD fluxo^37,38,39. Uma diferença na mobilidade da espécie iônica foi um fator importante ao separar as correntes catiônicas e aniônicas. Membranas de troca iônica efetivamente trabalharam para modular a mobilidade devido a seletividade de íons. Fenômenos de transporte de íons também foram investigados do ponto de vista da densidade de corrente iônica influenciada pela aplicação de campos elétricos⁴¹. Estes estudos têm sido frutíferos para o desenvolvimento de técnicas de manipulação de moléculas simples, ou seja, micro e nanopartículas, cujos movimentos são fortemente afetados por flutuações térmicas^11,16,17 . EOFs e EHD fluxos são esperados para expandir a variedade de métodos de controle de fluxo de precisão, bem como gradientes de pressão.

Neste estudo, demonstramos dois métodos para unidade EHD fluxos em soluções aquosas. Em primeiro lugar, uma solução de NaOH é usada para um fluido de trabalho para conduzir um EHD fluxo^37,38,39. Uma membrana de troca aniónica separa o líquido em duas partes. Um canal de fluxo do polydimethylsiloxane (PDMS) com uma secção transversal de 1 x 1 mm e um comprimento de 3 mm penetra a membrana. Aplicando um potencial elétrico de 2.2 V, o transporte eletroforético de at⁺, H⁺e OH⁻ íons é induzido ao longo de campos elétricos. Uma membrana de troca aniónica e um canal de fluxo trabalham eficazmente para separar as vias de transporte de íons, onde ânions predominantemente passam através da membrana e cátions concentrar-se no canal de fluxo, embora ambas as espécies geralmente se movem em direções opostas, manter o electroneutrality. Assim, tal condição não causa uma força motriz para fluxos líquidos. Essa estrutura é fundamental para gerar um fluxo de DHE, cuja velocidade de fluxo atinge na ordem de 1 mm/s no canal porque altamente concentrada cações aceleradas por campos elétricos externos arrastar moléculas de solventes. EHD fluxos são observados e gravados, usando um microscópio e uma câmera de alta velocidade, como mostrado na Figura 1. Em segundo lugar, uma diferença de concentração entre duas fases líquidas separadas por uma membrana de troca iônica provoca uma condição eletricamente polarizada ser gerado atravessar uma membrana de troca iônica⁴⁰. Neste estudo, encontramos a importância de um considerável tempo de espera para equilibrar as distribuições de íon e um potencial elétrico correspondente, que causam preferíveis condições aplicar uma força de corpo em um líquido. Atravessando a membrana de troca iônica, é alcançada uma condição fracamente polarizada. Em tal condição, um campo elétrico aplicado externamente induz transporte de íon direcional que gera uma força de corpo em um líquido, e como resultado, a transferência dinâmica de íons para o solvente desenvolve um fluxo EHD.

Como mencionado acima, os dispositivos presentes conseguir diminuir drasticamente a diferença de tensão aplicada a alguns volts, e, portanto, esse método é pode ser usado para soluções aquosas, embora os métodos de injeção de carga elétrica convencional exigido dezenas de kV e limitam-se a um aplicativo para soluções não aquosos.