حركي كهربي AC الظواهر المتولدة عن هياكل Microelectrode

في السنوات العديدة الماضية ، تبنى المختبر الموجود في مجتمع الرقائق تقنية مثيرة تعرف باسم AC Electrokinetics. يمكن استخدام هذه المجموعة من الظواهر لمعالجة الجسيمات والسوائل في مقياس ميكرون إلى نانومتر في موجات سريعة ومتعددة الاستخدامات ، وسرعان ما أصبحت ضرورية للعديد من تطبيقات الرقائق الحيوية. في هذا الفيديو، سنستعرض أساسيات الحركية الكهربائية للتيار المتردد بتفصيل كاف لمساعدة العلماء والمهندسين الآخرين الذين قد يستفيدون من استخدام هذه الظواهر في أبحاثهم.

مرحبا ، اسمي روبرت هارت وأنا طالب دكتوراه هنا في Drexel في قسم علوم الهندسة الطبية الحيوية والنظم الصحية. سنبدأ هذا الفيديو بوصف موجز للفيزياء الكامنة وراء الحركية الكهربائية للتيار المتردد. بعد ذلك، سننتقل إلى تصنيع الجهاز، وأخيرا سنعرض بعض مقاطع الفيديو الخاصة بالحركية الكهربائية للتيار المتردد ونوضح ما يحدث.

تعرف أول القوى الثلاث التي سنصفها باسم الرحلان الكهربائي ثنائي. هنا نرى مجالا كهربائيا متولدا بين قطبين مغمورين. إذا كان لدينا جسيم عازل في هذا المجال الكهربائي ، فإنه يصبح مستقطبا.

كما ترى ، يتم موازنة الشحنات الموجودة على الجسيم مع الشحنات الموجودة داخل السائل. سواء كان الجسيم أكثر قابلية للاستقطاب من السائل أو أقل ، يمكن تحديد الاستقطاب بواسطة عامل MoSo الأكثر أرقى في مجال كهربائي موحد. تواجه الجسيمات قوة الجوز المعروفة.

ومع ذلك ، في مجال كهربائي غير منتظم ، مثل المجال الموضح هنا ، تتحرك الجسيمات الأكثر قابلية للاستقطاب نحو مناطق المجال الكهربائي العالي لأنها تعاني من الرحلان الكهربائي الإيجابي الذي يغير التردد لتبديل نتائج الاستقطاب إلى تأثير معاكس يعرف باسم الرحلان الكهربائي السالب وتتحرك الجسيمات بعيدا عن المناطق ذات شدة المجال الكهربائي العالية. القوة الثانية هي التناضح الكهربائي AC في أساس التناضح الكهربائي AC كتكوين الطبقة الكهربائية المزدوجة بسبب الجهد الكهربائي. على السطح ، تنقسم هذه المنطقة إلى الطبقة المؤخرة ، والتي تتكون من أيونات ثابتة مرتبطة بشكل صارم بالسطح والطبقة المنتشرة ، والتي تحتوي على أيونات لا تزال حرة في التحرك بشكل جانبي ، على الرغم من ارتباطها.

إذا فحصنا أحد الأيونات بالقرب من حافة القطب ، نلاحظ أنه يعاني من قوة سائل تبريد من المجال الكهربائي. يتوازن المكون Y للقوة من خلال وجود شحنات على السطح. لذلك ، يتعرض الأيون لقوة جانبية صافية موجهة نحو مركز أيونات القطب الكهربائي على جانبي القطب الكهربائي وتتحرك الكتلة باتجاه مركز القطب وأعداد كافية لسحب السائل على طول.

يؤدي تقارب هذين التدفقين إلى تحرك السائل الموجود في المركز لأعلى وظهور نمط سائل دوراني. لا يؤثر تبديل الجهد على اتجاه نمط السائل لأن الأيونات المضادة قد تحولت أيضا. الظاهرة الثالثة والأخيرة هي التأثير الحراري المائي AC

عندما يمر مجال كهربائي عبر سائل ، يتسبب تسخين JUUL في تدرجات درجة الحرارة. كما هو موضح في المحاكاة ، تتغير الخصائص الكهربائية للمياه. نتيجة لذلك ، تتفاعل هذه الاضطرابات في الخصائص الكهربائية مع المجال الكهربائي لإحداث قوة في الجسم.

الحركة الناتجة مثل التناضح الكهربائي AC دورانية بطبيعتها على الرغم من اختلاف طبيعة أصولها. ذكرنا التأثير الحراري المائي AC بإيجاز من أجل الاكتمال ، لكن تأثيرات التأثير الحراري المائي خفية. في ظل ظروف تشغيل تجاربنا من المبادئ الرياضية الكامنة وراء كل من القوى الثلاث ، تم إنشاء محاكاة عددية للعناصر المحدودة ، والتي توضح القوة الإجمالية المركبة المؤثرة على جسيم بوليسترين ميكرون في كل موضع في القناة ، تأخذ محاكاة العناصر المحدودة التي أجريناها مقطعا عرضيا ثنائي الأبعاد للأقطاب الكهربائية وتركز على واحد فقط.

تظهر المحاكاة الأولى وسائط موصلية منخفضة وتتقدم من 100 هرتز إلى ميغاهرتز واحد عند الترددات المنخفضة. التناضح الكهربائي C هو السائد كما يتضح من نمط قوة الدوران. مع تقدمنا ، يتولى الرحلان الكهربائي الإيجابي كما يتضح من قوى الجذب المؤدية إلى كل زاوية قطب.

مع زيادة التردد بعد العتبة ، يعطي DEP الموجب وزنا ل DEP السالب وسيتم صد الجسيمات إلى ارتفاع معين حيث يتم موازنة قوة الجاذبية. الآن ، سنمر عبر نفس الترددات عند الموصلية العالية. عند الموصلية العالية ، تكون قوة التيار المتردد أقل قوة بشكل عام من تلك الموجودة في الموصلية المنخفضة وتحدث سرعة الذروة بتردد أعلى.

أيضا أنه لا يوجد DEP إيجابي لأن الموصلية عالية جدا. التناضح الكهربائي للتيار المتردد يفسح المجال مباشرة ل DEP السالب مع موصلية أعلى وجهد أعلى. سيظهر تأثير الجلد الكهربائي بشكل أكثر وضوحا.

في هذا القسم ، سنتحدث عن تصنيع الجهاز وتجميعه. تتكون الأجهزة نفسها من أقطاب كهربائية ذهبية منقوشة على ركيزة. في هذه الحالة الزجاج.

سنعرض طريقة الحفر الرطب لتحقيق ذلك ، ولكن يتم استخدام إجراء الإقلاع المعروف بشكل روتيني أيضا وسيتم عرضه لاحقا. التصميمات الأربعة التي نستخدمها متوازية متداخلة ، متوازية ، بئر محتمل ورباعية. وصف موجز للعملية على النحو التالي.

أولا ، يتم ترسيب طبقة من الكروم والذهب على الركيزة الزجاجية. بعد ذلك ، يتم طلاء الركيزة بمقاومة للضوء ويتم نقل نمط القطب من القناع إلى الركيزة. مع التعرض للتلامس للأشعة فوق البنفسجية.

بعد التطوير ، يتم حفر الكروم والذهب ويتم تجريد مقاومة الضوء. من أجل التصاق جيد ، يجب أن تكون الشرائح الزجاجية نظيفة جدا. يتم ذلك بشكل شائع باستخدام محلول سمكة البيرانا الساخنة ، والذي يتكون من حمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين.

يجب توخي الحذر الشديد عند العمل مع هذا المزيج الخطير. بعد التنظيف ، يتم تجفيف الركائز وجاهزة لترسيب المعادن. يتم تنفيذ هذه الخطوة في مبخر شعاع الإلكترون.

يتم تحميل الشرائح الزجاجية على حامل العينة مع غطاء على الشريط ، وهو مناسب خصيصا لتحمل ظروف الترسيب. بعد ذلك ، يتم تحميل العينات في الجهاز وتفريغها بالمكنسة الكهربائية. تتكون العملية من ترسيب قصير لمدة دقيقتين من الكروم وترسيب الذهب لمدة 30 دقيقة ينتج عنه ما يقرب من 20 و 200 نانومتر على التوالي.

عند إزالة العينات ، يظهر سطح الذهب بوضوح. الطباعة الحجرية الضوئية يبدأ بطلاء مقاوم للصور باستخدام آلة طلاء الدوران. يتم سحب مقاومة الصور على الركيزة التي تقع على ظرف داخل الماكينة.

يتم إنشاء طبقة متسقة من مقاومة الصور عن طريق تدوير الزجاج بسرعة محددة ، مما يزيل معظم مقاومة الصور الزائدة. يتبع هذه العملية خبز طري لمدة دقيقتين عند 100 درجة مئوية ، وهذا يقوي مقاومة الصورة ويجهزها للتعرض للأشعة فوق البنفسجية. بعد ذلك ، يتم وضع قناع الصورة على اتصال مع الركيزة الخاصة بنا ويتعرض للأشعة فوق البنفسجية لمدة ثماني ثوان تقريبا.

هذا ينقل النمط إلى مقاومة الصورة. تزيل خطوة التطوير جميع مناطق مقاومة الصور التي تعرضت للضوء. هذه العملية تكمل مرحلة الطباعة الحجرية الضوئية ونحن جاهزون لحفر الذهب والكروم.

تلك المناطق الموجودة على الركيزة التي تم الكشف عنها في عملية التطوير أصبحت الآن حرة في الحفر. تحمي مقاومة الصور بشكل فعال بقية السطح ، ولكن كما هو الحال في جميع الخطوات ، يجب التحكم في وقت الحفر بعناية. هنا نرى الركائز توضع في الظلام ، وحفر الذهب القائم على اليود.

بعد الشطف والماء ، تتم إزالة الكروم بنقش الكروم. لاحظ التحول الذي يحدث عندما أصبح الزجاج شفافا مرة أخرى. بمجرد إزالة الكروم ، تظهر مقارنة بين الركائز المحفورة وغير المحفورة النتائج.

الفحص السريع تحت المجهر نجاح العملية. هنا نرى جهازا تم تصنيعه بنجاح مع توصيلات كهربائية تم إجراؤها. بجانبه توجد قناة PD DS مع وصلات أنابيب.

عندما يتم وضع قناة PDMS على جهاز ، يتم عمل ختم فعال للغاية بزجاج وقد يتدفق السائل عبر القناة. يتم ذلك بعناية باستخدام ملقط. نظرا لأن بصمات الأصابع والغبار يمكن أن تمنع الالتصاق الجيد ، يمكن استخدام الجوانب المقابلة للملقط لضمان التثبيت الجيد. ملء.

تتم القناة عن طريق توصيل حقنة بجانب واحد ، ووضع الآخر في تعليق كري من البوليسترين وتطبيق شفط لطيف. بمجرد وضعها في المجهر والتركيز ، يتم إجراء التوصيلات الكهربائية بمولد الوظيفة. مع تحميل العينات والتوصيلات التي تم إجراؤها أصبحت أجهزة جاهزة الآن للتجربة.

تتكون جميع مقاطع الفيديو التجريبية التي سنعرضها من حقن معلق مائي لكريتين ميكرونيين من البوليسترين في القناة وتطبيق إشارة على الأقطاب الكهربائية. في البداية ، يتم توزيع الجسيمات بشكل عشوائي وتظهر حركة تحمير. عندما يتم تطبيق القاتل الوحيد ، يتم تطبيق إشارتها ، تتماشى الجسيمات بسرعة في مركز القطب.

ضع في اعتبارك ، نظرا لأننا نستخدم مجال التيار المتردد ، فإننا لا نشهد قوة KIC. يرجع هذا السلوك الرائع إلى أنماط السوائل المتولدة بالإضافة إلى القوى الجذابة للرحلان الكهربائي. مع زيادة التردد ، تبدأ الجسيمات في الانتشار على طول عرض القطب.

مع انخفاض السرعة التناضحية الكهربائية للتيار المتردد ويبدأ الرحلان الكهربائي في الاستيلاء على 56 كيلو هرتز ، تهاجر الجسيمات إلى حافة القطب. مع موت قوى التناضح الكهربائي AC ويسود الرحلان الكهربائي الإيجابي. كما هو موضح في هذا الرسم البياني ، يستمر هذا السلوك عند 100 كيلو هرتز والجسيمات الآن متجذرة بقوة في حافة الناخبين.

عندما يزداد التردد إلى 250 كيلو هرتز ، تبدأ الجسيمات في الاصطفاف عبر الفجوة ويتم صد ما يسمى بسلوك سلسلة اللؤلؤ ، والذي ينتج عن تفاعلات جسيمات الجسيمات عند 500 كيلو هرتز من حافة القطب الكهربائي حيث يسود DEP السالب. يمكن تفسير ذلك من خلال عامل K clausius MoSo ، الذي يتغير من موجب إلى سالب مع زيادة التردد مما يتسبب في الانتقال من الرحلان الكهربائي الموجب إلى الرحلان الكهربائي السلبي عند ميغا هرتز واحد. يقترب DEP السالب من قيمته القصوى وترفع الجسيمات فوق القطب.

الزيادة في الموصلية إلى حدوث تغيير مهم في عامل CM. كما ترون ، لا يوجد DEP إيجابي ، مما يغير سلوك الجسيمات بشكل جذري. ضع ذلك في الاعتبار عندما نتصفح نفس نطاق التردد عندما نطبق جسيمات إشارة كيلو هرتز واحد تدور خارج المستوى على طول حافة القطب.

يظهر العرض العلوي الذي يوفره المجهر حركة الجسيمات الجانبية فقط كما هو موضح في هذه الرسوم المتحركة. هذا المنظر الذي يظهر الجسيمات تتحرك ذهابا وإيابا ، يخفي الحركة الحقيقية للجسيمات عند النظر إليها من الجانب. يمكن رؤية الطبيعة الحقيقية لحركتهم بسهولة أكبر.

إنهم في الواقع يدورون حول سبب دورانهم وعدم احتجازهم في مركز كل قطب كهربائي يعتقد أن مكون DEP معكوس. مع استمرار التردد في الزيادة ، تبدأ الجسيمات في الاندماج في كتل مع الحفاظ على نفس الفكرة المدارية. هذا التكتل ناتج عن تفاعل الجسيمات الجسيمات.

يعتقد أن أصول هذا التفاعل ترجع إلى التشوهات الطفيفة في المجال الكهربائي التي تسببها الجسيمات نفسها. تخلق التشوهات حول الجسيمات قوى DEP ، والتي تجذب الجسيمات القريبة. مع استمرارنا في زيادة التردد ، يحدث تغيير جذري عند حوالي 250 كيلو هرتز.

توقف الجسيمات إلى حد كبير الحركة المدارية وتشكل مظهرا آخر من مظاهر تفاعل جسيمات الجسيمات. في النهاية ، حيث يرتفع التردد. عند هذه النقطة ، يدفع تنافر ميغا هرتز واحد بسبب DEP السلبي الجسيمات لأعلى وخارج المستوى البؤري المجهري.

بعد ذلك ، سنعرض نوع قطب كهربائي مبتهج مصبوب يعمل بموصلية منخفضة. يشبه تصميم القطب هذا تصميم النوع الأخير من حيث أنه متداخل ، ولكن تم استبدال الأصابع المستقيمة بشكل أكثر تعقيدا. عند كيلو هرتز واحد ، يتم جمع الجسيمات في وسط التقاطعات ويشكل بسرعة شكل ماسي.

مع زيادة التردد ، نرى نفس الانتشار من الجسيمات المجمعة. عندما يبدأ التناضح الكهربائي AC في التلاشي ويتولى DEP المسؤولية ، مثل قبل 56 كيلو هرتز يتسبب في هجرة الجسيمات ببطء إلى حافة القطب. ومن المثير للاهتمام أن جميع الجسيمات تقريبا تتحرك إلى جانب واحد ، والذي قد يكون بسبب بعض الضغط الهيدروستاتيكي.

يتحركون بشكل أسرع. في 100 كيلو هرتز كرئيس تنفيذي اختفى تماما تقريبا. عند 250 كيلو هرتز ، تبدأ الجسيمات في تكوين سلاسل احترافية.

يجبر DEP السلبي الناجم عن التحول إلى 500 كيلو هرتز الجسيمات بعيدا عن حافة القطب. تؤدي زيادة التردد أكثر إلى ميغاهرتز واحد إلى تحرك الجسيمات لأعلى خارج المستوى البؤري حيث يتم صدها أكثر عن طريق الرحلان الكهربائي السلبي. بعد ذلك ، سنعرض نوع القطب الكهربائي المقطي الذي يعمل بموصلية عالية.

نمط الدوران الذي يتم إنشاؤه باستخدام هذا النوع من القطب الكهربائي بشكل كبير في زوايا القطب الداخلي ، وهذا هو المكان الذي تهاجر فيه الجسيمات في النهاية. سلوك تقطيع الشكل الماسي الذي رأيناه سابقا غير موجود هنا لأنه لا يوجد رحلان كهربائي إيجابي في هذه الموصلية. مع زيادة التردد ، تنخفض سرعة السوائل ببطء.

عندما تموت قوى التناضح الكهربائي للتيار المتردد عند 56 كيلو هرتز ، تكون الحركة بطيئة جدا وفي بعض الأماكن تبدأ الجسيمات في التكتل وتشكيل سلاسل اللؤلؤ عند 100 كيلو هرتز. سلاسل اللؤلؤ واضحة تماما. ببطء مع زيادة التردد ، تتجمع كتل الجسيمات وتشكل أشكالا X في كل زاوية من الزوايا.

أخيرا ، عند ميغاهرتز واحد ، يتم التغلب على السلاسل الاحترافية بواسطة DEP سالب ويتم صد الجسيمات من السطح. يتسبب التصميم الرباعي الموضح هنا في وجود منطقة ذات شدة مجال كهربائي منخفضة في مركز نمط القطب الكهربائي وهو مصمم لاستخدام الرحلان الكهربائي السالب لتركيز الجسيمات. عندما نطبق 10 فولت على الأقطاب الكهربائية ، نرى تركيزا دراماتيكيا للجسيمات.

سنسرع الوقت قليلا حتى نتمكن من رؤية شكل الجسيمات في حالة التوازن. إذا خفضنا الجهد إلى فولت واحد ، فسنرى المنطقة المركزة تبدأ في التوسع. نظرا لأن الرحلان الكهربائي يفقد الأرض ضد الكعكة والحركة ، فإن زيادة الجهد مرة أخرى تؤدي إلى عودة الجسيمات نحو المركز.

مثل النمط الرباعي ، يخلق البئر المحتمل مناطق ذات مجال كهربائي منخفض من أجل حبس الجسيمات. الأقطاب الكهربائية متداخلة ، لذلك يمكن ملاحظة التأثيرات الأخرى التي رأيناها بالفعل هنا أيضا. عندما يتم تطبيق الإشارات ، نرى محاصرة سريعة للجسيمات بسبب الرئيس التنفيذي و DEP.

التأثير الأكثر إثارة للاهتمام هو ما يحدث في المربعات المجوفة. يتم جمع الجسيمات هنا بسبب الرحلان الكهربائي السلبي بعد مرور بعض الوقت. نرى أيضا بعض المجموعات على جانبي البئر المحتمل على شكل مثلثات.

لقد أظهرنا للتو بعضا من العديد من الفيزياء المثيرة للاهتمام وراء الحركية الكهربائية AC ، وكيفية تصنيع هذه الأجهزة وكيفية تفسير النتائج التجريبية بناء على المحاكاة العددية والفيزياء الأساسية. هذه الظواهر التي تتعامل مع الجسيمات المتحركة يصعب فهمها بدون مساعدات بصرية. يمكن استخدام الظواهر الحركية الكهربائية للتيار المتردد في العديد من مجالات البحث.

على سبيل المثال ، جمع الجسيمات لتطبيقات المستشعرات الحيوية ، وفصل الجسيمات ذات الخصائص المختلفة مثل الحجم والشكل لمعالجة العينات والخلط النشط لتحسين الفحص. نأمل أن يساعد هذا الفيديو العلماء والمهندسين على استخدام وتصنيع الأجهزة الحركية الكهربائية AC ، وهي واحدة من أهم المجالات وأكثرها نموا في المختبر في مجتمع الرقائق. حسنا ، هذا كل شيء.

شكرا على المشاهدة ونتمنى لك السعادة في تجاربك.