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极性电介质液体电液动力桥的制备

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DOI：

10.3791/51819

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2014年9月30日

 ,  ,  ,  , 
1Applied Water Physics, Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2IRCAM GmbH, 3Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology

本文内容

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摘要

水平和垂直的电动力学液桥是研究高强度电场与极性介电液体相互作用的简单而强大的工具。本文介绍了三种液体（例如，水、DMSO 和甘油）的基本装置构建及操作示例，包括热成像图像。

摘要

水平和垂直液桥是研究高强度电场（8–20 kV/cm）与极性电介质液体相互作用的简单而有力的工具。与毛细液桥不同，这类液桥可延伸至数毫米以上，表现出复杂的双向质量传递模式，并发射非普朗克型红外辐射。多种常见溶剂、低电导率溶液及胶体悬浮液均可形成此类液桥。其宏观行为由电液动力学所主导，为研究无固体壁面条件下的流体流动现象提供了途径。在液桥形成之前，可观察到若干重要现象，包括弯月面高度上升（电润湿）、体相流体循环（Sumoto效应）以及带电液滴喷射（电喷雾）。通过调节施加电压和液桥长度，可直接考察表面力、极化力与位移电流力之间的相互作用。在重力辅助下，电场能够抑制Rayleigh-Plateau不稳定性，从而稳定液桥。本文介绍了用于构建垂直和水平取向液桥的基本装置及其操作示例，包括三种液体的热成像图例如，水、DMSO 和甘油）被展示。

引言

电场与液体物质之间的相互作用会导致材料内部产生多种作用力。在实际的液体电介质系统中，不可忽略的电场梯度以及破坏对称性的几何结构会引发一系列看似奇特的现象。赫兹是最早注意到液体-固体电介质系统中旋转运动现象的科学家之一。1. 昆克观察到，两种流体之间的界面张力不仅会因外加电场而改变，而且这种改变会在流体本体上产生作用力，并可用于诱导旋转运动2. 阿姆斯特朗于1893年发现了水的悬浮桥现象3 直到最近，福克斯（Fuchs）及其同事研究了质量和电荷传输机制，才揭开了这一神秘魔术般技巧的面纱4,5 并重新开启了对这些液桥形成机制的深入科学研究。电场能够克服重力作用使液体上升，佩拉特关于电介质液体在平行板电极间上升的研究即证明了这一点6这种提升作用具有频率依赖性，最终可通过麦克斯韦应力张量进行描述7这一点在考虑与交流电条件下确实表现出频率依赖性的电液动力学（EHD）液桥相关的液面上升时尤为重要。8 类似于介质上电润湿（EWOD）和介电泳（DEP）质量流9此外，施加高电势电场对于控制液流断裂过程至关重要，而电场与液体之间的相互作用对于理解工业上重要的电喷雾雾化过程具有关键意义。10,11.

外加电场不仅影响表面能。由于极化和剪切应力的作用，还可以形成流动模式。一个例子是在非均匀电场中液体的循环流动。在此情况下，液体本体中会因剪切应力驱动而产生电对流电流。Sumoto 证明，可以利用一个玻璃转子构成流体电机，该转子内含有极性液体或金属棒，并浸没在非极性介电液浴中，然后置于非均匀电场中12。Okano 后来的分析采用均匀场近似13来求解旋转问题，但仅能定性地与实验结果吻合，且要求介电液体表现为单一质量体。该领域的其他研究者则完全误解了这一现象，他们错误地将 Sumoto 效应报道并研究为液体液面上升14-16，这是对 Pellat 所开创的电场作用研究的误读17。对于液态电动力学桥（liquid EHD bridges）的研究而言，理解表面对称性破缺在电荷局域化及剪切应力产生过程中的关键作用至关重要18。Melcher 关于连续介质电动力学的专著19为处理体相液体提供了完整的理论基础，并在各向同性均匀极限下简化了自由表面的分析。然而，即使从连续介质的观点来看，表面的重要性也十分明确，因为对称性的丧失会导致剪切应力，从而引发体相流动。在更一般的情况下，考虑可被极化的离散可移动流体体积元，当其接近表面时会受到相应的反作用力，此时可将电场相互作用代入纳维-斯托克斯方程20和伯努利方程7,21,22，以描述包括液桥在内的多种电动力学流动现象。对液桥的进一步研究有望改进一系列基于电动力学的技术，例如喷墨打印23-25、微纳米材料加工26-28、药物递送29,30、生物医学应用31,32以及海水淡化33。

本文所述方法可用于研究在极性液体中形成的EHD液桥，这类液体的分子具有永久偶极矩。外加的非均匀电场会导致偶极子群体发生部分极化，从而引起局部介电常数的变化，进一步增强电场梯度18,34,35。这种极化会产生一种位移力，根据所施加电场的相对强度，将引发多种不同的液体响应（见图4-7），最终导致液桥的形成。液体在电极表面还会发展出泰勒流22,36，特别是在电极存在尖锐边缘的情况下更为明显。在尖锐边缘处还可能发生电荷注入现象，这与异号电荷层的形成一致，从而在液体本体中产生电对流电流22，将液桥系统与Sumoto效应12联系起来。关于水及其他极性液体中液桥的主导EHD关系已有广泛报道22,36-38。然而，这些理论方法存在一定的局限性，在分析实验数据时应予以考虑。麦克斯韦应力张量处理方法36对电场的非均匀性以及液桥内部的不均匀性不敏感。纯粹的EHD方法37可提供电-重力数及其与液桥长径比之间关系的稳态定义；然而，该方法无法预测流动动力学及重要的瞬态现象（例如，液桥的形成过程）。在分析液桥稳定性时，三个无量纲数具有重要意义，此处引用Marín & Lohse先前发表的结果37。电毛细数（CaE）定义为电力与毛细力之间的比值：

包含介电常数和量纲的毛细数方程；流体动力学公式。

其中，ε0 为真空介电常数，εr 为液体的相对介电常数，Et 为液桥上的电场强度，γ 为表面张力，ds 和 dl 分别为直径的垂直和水平投影，以得到平均直径 Dm。邦德数（Bo）描述了重力与毛细力之间的平衡关系：

博数和体积公式；流体动力学研究示意图中的方程。

其中 g 为重力加速度，l 为自由桥长度，V 为桥体积。重力、毛细力和电力之间的关系可用电动重力数 GE 表示：

静力平衡方程；GE 公式；用于科学计算与分析。

液桥的最大可延展性与所施加的电压相关，而流经液桥的电流则与液桥的横截面积（从而与其直径）相关。这些关系相互耦合，共同决定了液桥的体积，从而定义了任意给定工作液体液桥的稳定区域。水桥的特性曲线如图3所示，图中显示了一个下限阈值，低于该阈值时施加的电场过弱，无法克服表面张力；同时还显示了一个上限阈值，高于该阈值时液桥质量过大，导致液体泄漏，进一步破坏电场并最终引起液桥断裂。

关于极性溶剂中液桥的更普遍处理方法19,22 提供了与液桥共同作用的压力项组合，可用于在修正的伯努利方程中预测流动动力学所受的力，该方程在压力项中加入了电位移项。此外，根据关于离子稳定性的昂萨格关系式24，并结合在平衡泵送方向和热发射方面的实验观察结果，进行了整合分析。

已研究过多种极性液体，包括水、低级脂肪醇（例如，甲醇）、多元醇（例如，甘油）、二甲基亚砜（DMSO）以及其他极性有机溶剂（例如，二甲基甲酰胺）。非极性介电液体（例如，正己烷）不表现出液桥形成现象。迄今为止所研究的能够支持液桥形成的介电液体8,22,37均落在一组明确的物理参数范围内，这为后续实验提供了良好的起点：低电导率（σ < 5 μS/cm）、中等静态相对介电常数（ε = 20–80）、中等到较高的表面张力（γ = 21–72 mN/m）。有趣的是，较宽范围的黏度（η = 0.3–987 mPa·sec）均能形成此类液桥。在黏度足够高的液体中（如甘油），可以直接从液体本体中拉伸出液桥（见图5），这一现象揭示了介电泳力与液桥之间的重要联系。离子溶液（例如，NaCl(aq)）会严重干扰液桥的形成，先前的研究40表明，其可导致液桥温度升高、桥长与施加电压的比值降低，并减弱其可延展性。这种行为主要归因于溶解离子的电荷屏蔽效应以及电流导通的增强，后者削弱了流体体积元与电场之间的耦合作用。

在连续介质层面上，电液动力学（EHD）现象的产生仅仅是因为伴随电致伸缩所需的压强项仅存在于液体界面处21。此外，EHD液桥的稳定性与系统中界面的稳定性之间存在关联。在微重力实验条件下41，表面积的扩张会产生一种使液桥断裂的力。同样，如果界面空间过于受限或支撑接触面积过小，液桥也容易产生不稳定性。这一点可通过由管道供液的液桥或垂直液桥（其中一个电极从液面垂直向上拉起）的情况加以说明——这些液桥在长期运行中稳定性较差，因为它们缺乏当两个储液池均具有较大自由表面时所特有的流动动力学特征。当液桥与流体储液池的连接被限制在管道内部时，会导致热量积聚加剧以及表面张力下降。通常情况下，管道内部会自发形成气液界面。这一条件限制了受限液桥的最大可延展长度及其平均寿命。开放表面的水桥在35 kV电压下可延伸至35 mm长度，而在受限条件下，液桥无法在如此高的加速电压下持续存在，因为液体更倾向于转变为电喷雾模式。同样，在受控条件下，自由表面水桥的稳定持续时间可接近10小时，而在管道供液系统中，其寿命通常不足2小时。

EHD现象通常仅在连续介质层面上被考虑。关于液体桥分子基础的研究数量有限。一项使用垂直交流电桥的拉曼研究42比较了液桥与体相水之间的分子间OH伸缩振动带，结果显示施加电场后散射谱图的某些变化具有结构上的起源。利用超快中红外泵浦-探测光谱技术对悬浮水桥进行研究43发现，HDO:D2O水桥中HDO分子的OH伸缩振动寿命（630 ± 50 fsec）比体相HDO:D2O中的HDO分子更短（740 ± 40 fsec）；然而，振动弛豫后的热化动力学过程则明显更慢（1,500 ± 400 fsec），远长于体相HDO:D2O中的相应过程（250 ± 90 fsec）。这些能量弛豫动力学上的差异强烈表明，水桥与体相水在分子尺度上存在差异。此外，关于悬浮水桥红外辐射的研究揭示了一种非热特征，可能源于质子传导带中激发态向基态的跃迁44。另一项较新的拉曼研究报道，在直流电水桥中光谱存在径向分布，表明桥的中心区域与外层壳之间存在局部pH值的相对差异45。EHD液体桥内部物理特性的径向分布进一步得到了非弹性紫外散射实验的支持46，该实验观察到温度和密度分布呈现矛盾的径向趋势，这可能由分子自由度梯度或纳米气泡等第二相的存在来解释。然而，小角X射线散射研究并未支持后一种观点47，而红外辐射光谱则支持受限转动（即摆动，i.e. librations）的概念44。EHD液体桥中优先流动方向的产生源于自解离动力学的变化。这一发现与Onsager的研究一致，有望将分子层面与连续介质层面的现象联系起来22。EHD现象具有分子基础的进一步证据来自介电液滴的热辐射观测：随着电场增强，其局部热辐射逐渐降低，并在液桥形成前达到最小值（见图7）。

EHD液桥为研究多尺度下各种力之间的相互作用提供了机会，本研究的具体目标是提供一种标准化方法，用于在多种液体中生成此类液桥，且液桥方向可相对于重力任意取向，以支持前述全部特征现象的出现。

方案

1. 一般建议

  1. 实验准备过程中始终佩戴一次性无粉手套，以防止手部汗液或油脂造成污染。
  2. 清洁所有与待测液体接触的玻璃器皿、电极及其他部件，特别注意避免引入可溶于液相的污染物。
  3. 使用电导率仪测量实验所用液体的电导率，并确认其值 ≤1 µS/cm。

2. 实验设置

  1. 水平桥系统（图 1a）
    1. 将一对可调节高度的平台放置在水平的非导电表面上。固定其中一个平台，并将另一个平台安装在最小行程为 25 mm 的电动线性平移台上。
    2. 将绝缘板（图 1a，部件 j）固定在可调平台的顶面。使用尺寸较大的绝缘板，使其在所有侧边均超出平台至少 10 mm。可使用聚四氟乙烯、丙烯酸或窗玻璃等常见材料。根据计划使用的最高电压选择足够厚度以防止击穿的绝缘板。
    3. 按照制造商说明连接高压电源（图 1a，部件 m）。
    4. 将鳄鱼夹焊接到高压线和接地线的末端。
    5. 将由刚性绝缘材料制成的支撑臂一端用夹子固定在铁架台上，使绝缘杆水平伸出并悬于绝缘平台上方。
    6. 使用电工胶带缠绕数圈、尼龙扎带或其他适当方式，将接地线和高压线固定在支撑臂上，使鳄鱼夹向下悬垂于绝缘平台上方。
    7. 将一根铂电极（图 1a，部件 k）夹入两个鳄鱼夹中。
    8. 调整支撑臂位置，使高压线位于固定平台上方，接地线位于移动平台上方。
  2. 垂直桥系统（图 1b）
    1. 将一个非导电夹具安装在可移动至少 25 mm 的线性平移台上。使用该夹具固定容器（图 1b，部件 i），该容器将连接至接地线。
    2. 将此组件安装到垂直的刚性支撑结构上。
    3. 在平移台的支撑下方同轴位置安装另一个类似的非导电夹具，用于固定连接高压线的容器。
  3. 制作“放电棒”（参见 图 1c 示意图）
    1. 取一段长度为 30–40 cm 的刚性非导电材料，如玻璃棒或塑料棒（图 1c，部件 p）。
    2. 用交叉缠绕的电工胶带（图 1c，部件 r）或其他固定材料，将一段长度为 10–15 cm 的导电金属片（图 1c，部件 q）固定在棒的一端。
    3. 在关闭电源后，使用“放电棒”的金属端连接高压电极和接地电极，以确保在操作设备前电路已完全放电。

3. 液桥的操作

  1. 水平液桥
    1. 每个容器中加入（图 1a，第一部分）加入足量液体，使液面距离烧杯嘴或边缘1-5 mm。本演示所用容器（直径60 mm），若为水，加入67 g；若为DMSO，加入74 g；若为甘油，加入84.4 g。
    2. 将 2 将容器放置到绝缘平台上，使其在单一位置（例如壶嘴处）发生物理接触，但直壁边缘也同样适用。
    3. 调整平台高度，使液体仅接触铂电极，而不接触鳄鱼夹或导线。注意垂直对齐，确保形成的液桥水平。
    4. 将铂电极插入装有液体的容器中，使其距离桥接形成处至少15 mm。注意：通常将电极置于容器中心与两个容器接触点相对一侧的器壁之间。
  2. 垂直液桥
    1. 使用两个带有单个液体接口的洁净密闭容器，如图所示 图1b第 i 部分
    2. 将待研究的液体注入每个容器，确保无夹带气泡。
    3. 插入电极（图 1b，将部分k）加入每个容器中，并盖紧瓶盖以固定液体。
    4. 将两个密闭容器安装到非导电夹具中（见2.2），使容器开口相对。
    5. 在下部管口处滴加几滴液体，使液面弯曲并高出玻璃管边缘数毫米。
    6. 将上部容器下移，使其刚好接触下部容器，形成一个微小的毛细桥。
    7. 将电源的高压输出端连接（图 1b，将下部（固定）容器电极接至电源输出端（部分m），并将接地端接至上部（移动）容器。
  3. 高压操作
    1. 一般注意事项
      1. 在继续操作之前，确认所有表面均干燥，且绝缘平台上无液体积聚、液膜或液滴存在。
      2. 在为实验通电之前，确认不存在短路现象，并确保没有接地通路，以免人员或设备接触到带电表面。务必遵循高压电源制造商提供的所有操作规程并注意其警告事项。如有疑问，应向合格的电气安全专业人员咨询。
      3. 设置电源极性（如可选择）后再通电。通常使用正电压极性，因为这能提供更稳定的液桥。注意：也可使用负极性，但往往会产生明显的空间电荷效应，从而显著影响介电液体的物理性质48 并且由于在高电位下存在功能差异，即倾向于吸收而非提供电子，导致过量电荷可能喷溅到周围的绝缘支撑结构上，从而影响实验区域的局部电荷密度。
      4. 打开电源的电流限制，使电流不超过 5-6 mA。
    2. 选择可应用的两种电压模式之一——斜坡模式或阶跃模式。
      1. 当首次启动且液体的性能特征尚未明确时，应使用电压 ramp。
        1. 将电源的电压限值调低至 0 kV。
        2. 打开电源输出，然后以约250 V/sec的速率缓慢提高电压限值。
        3. 观察电桥点火时的电压，该电压即为近似的点火阈值电压（Vt).
      2. 使用电压阶跃快速向系统施加电压。
        1. 将电源电压限值设定为高于所研究液体系统点火阈值的所需值，该阈值通过电压斜升法确定（见3.3.2.1.3）。
        2. 打开电源输出。注意：电压阶跃可能导致电弧放电和液滴喷射，且可能需要数秒时间才能形成稳定的液桥。若电弧持续数秒以上，会产生臭氧和过氧化物，导致液体电导率升高。如果出现电弧问题，建议更换新鲜液体。
    3. 点火后稳定桥接部分。
      1. 通过观察两个容器之间形成的稳定液流来确认电桥点火。注：此现象通常发生在8-10 kV之间，并伴随250-500 µA的电流导通，具体数值取决于所用液体。
      2. 通过将电压调至10–15 kV、电流消耗约为1,000 µA，调节电桥以实现拉伸。注：实际数值取决于所使用的液体。
      3. 将桥接距离延伸至每施加1 kV电压约1 mm。 例如 15 mm 对应 15 kV。如有必要，可根据实验要求进一步调节液桥。注：稳定的液桥可维持数小时。
  4. 关闭程序
    1. 通过关闭高压电源的输出来熄灭电弧。等待数秒，使电源电容器放电，电压读数降至零。
    2. 使用第1.3节中制作的“断电棒”在接触任何先前带电的部件前对电极夹进行短接。

4. 成像

  1. 条纹投影
    1. 通过在透明胶片上打印黑色条纹制备二元光栅板，并将其贴附于乳白色扩散屏上。本示例中，使用A4（即 297 毫米 × 210 毫米）边缘板。
    2. 将条纹板放置在背光源前方，使条纹投射到整个实验装置上。
    3. 使用任意数量的数码相机记录条纹图样的静态图像或视频。
    4. 通过分析 4.1.3 中记录的图像，追踪液面变化以及液体对应光程长度的变化。注意：对所观察到的变化进行定量分析时，可通过条纹评估实现，可使用多种软件包（如免费的 IDEA 程序）完成。49条纹分析的具体细节和注意事项在其他地方已有阐述49-51.
  2. 热成像
    1. 根据制造商的说明设置热成像相机的动态范围。注：通常采用包含预期温度范围的两点校准即可提供良好的热分辨率。大多数液桥的工作温度范围为20–50 °C。
    2. 通过在实验所需的温度条件下，对所研究液体的开放表面进行成像，完成发射率校正和温度标定。
      1. 使用与实验装置中相同的容器，盛装室温下的待测液体。
      2. 使用浸入式热电探头（如K型热电偶）测量液体温度。
      3. 记录液体在红外光下的图像。
      4. 将液体温度升高至桥梁中预期的温度，可使用加热板或微波炉进行加热。注意：通常加热温度不超过液体沸点以下10 °C例如，水为90°C）。
      5. 重复步骤 4.2.2.2 和 4.2.2.3，对高温液体进行相同操作。
    3. 将相机置于水平桥略上方，并与垂直桥齐平，以最大化记录的表面面积。注意：由于大多数极性液体对中波和长波红外辐射有强吸收，仅能观察到表面温度分布。
    4. 在开启电源输出之前开始记录桥式系统的红外图像，并持续记录直至实验结束或相机缓冲区满。

结果

电液动力学液桥与毛细液桥在三个特性上有所不同：1）流动，2）可延展性，3）热辐射；比较结果如图2所示。在施加电压之前，当液体液面与水平构型中的喷嘴齐平时，两个容器之间常可观察到微小的毛细液桥。当垂直构型中两容器间距小于几毫米时，此类液桥不可避免。

电压可以采用斜坡式（见方案中的3.4.2.1）或阶跃式（见方案中的3.4.2.2）施加。低于阈值电压（Vt）的电压不会形成电液动力学桥（EHD桥），但可能引发其他多种现象，例如液体体积膨胀（图4）、液态电极接触线的上升（图5）、液体本体的旋转与循环（图6）、电喷雾及射流形成（图7）。Vt是所研究介电液体本身的特性，取决于其组分类型与浓度，以及所用屏蔽气氛。点火阈值还与容器间距有关。尽管在数毫米间距下仍可实现桥的点火，但所需施加的电压更高，且在稳定液态连接形成之前，会经历更长的静止期，并伴随更剧烈的电喷雾现象。例如，当盛水储液池间距为5 mm时，Vt升高至17–20 kV或更高。

一旦 Vt 已超过电弧与喷溅痕迹点燃的组合图 8a、9a）紧接着形成一条细桥 <直径为1 mm。一旦桥接形成，电流即开始流动，随后桥接处出现肿胀（图8b、9b) 依据条件不同，直径可达到 3-5 mm。在迄今为止研究的多种液体中，液桥点燃至膨胀的时间介于 10–500 毫秒之间，主要取决于施加的电压、分离距离以及液体黏度。8,22,37.

在水平液桥中，流动方向取决于特定的液体条件。通常情况下，当高压极性为正时，净流动方向从阳极指向阴极。在延伸状态（图8c）下，液桥直径通常会在1-10 Hz的低频范围内波动。也会出现更高频率的振荡，并表现为表面波。当使用二值条纹图案从背面照明时，可在液桥主体中观察到光学活性的密度波。该系统的特定响应函数取决于液体体系以及电源特性。

垂直液桥在许多方面与水平液桥相似，但其通常不表现出明显的质量流动，且形状往往呈夸张的瓶状。提高驱动电压可使液体形成更接近圆柱形的形态，并增强其延展性。图 9c）略优于水平桥接（例如，水的值为1.25 mm/kV）。与水平液桥类似，垂直液桥也可在施加电压前无需两液体间直接接触而形成。在此情况下，可在上方悬垂液滴上观察到泰勒锥的形成。该喷流将向下延伸，形成稳定的射流，并在接触下方静置液滴时迅速膨胀。

与电喷雾不同，极性电介质液体中的电液动力学（EHD）桥以热辐射和非热红外（IR）辐射两种形式耗散能量44。对液桥进行热成像记录（图7-10）是研究表面流动动力学以及量化原位（in operando）红外活性能量分布的有效工具。热辐射主要来源于欧姆加热，因此可作为离子稳定性的灵敏指标，因为不同液体在相同功率耗散条件下其加热程度各不相同。例如，水桥（图9c）通常在35–50 °C之间运行，而醇类液桥由于蒸气压较低且离子稳定性存在差异，运行温度通常低几度39。这种关联行为的另一个例子是无质子性DMSO，其蒸气压低，并形成负离子，迁移方向与大多数其他极性液体相反。DMSO液桥的运行温度通常接近100 °C（图10a）。黏度和热容也在系统中热能的耗散方式中起重要作用，这一点可通过甘油液桥中观察到的局部加热现象得以体现（图10b）。

液桥断裂可能通过多种途径发生。当液桥被拉伸至超出当前工作电压所能维持的长度，或施加的电压降低到不足以维持特定长度液桥的临界值时（如电-重力数所预测），液桥很可能发生断裂。断裂过程通常表现为液桥直径逐渐减小（图8d，图9d），直至达到临界值，随后 Plateau–Rayleigh 不稳定性导致类配体状液桥破裂（图8e，图9e），形成一串在电场中迁移的液滴。另一种断裂模式通常仅出现在水平构型中，即当液桥直径过大，导致质量增加并产生向下的水流喷射。这种行为可能引发液桥的振荡，产生“摆动”效应，进而导致液桥再次失稳并分裂为液滴。大直径液桥的形成可能是由于某一容器中存在单向流动导致静水压头过高，从而引发溢流；或者在较小间距下施加过高的电压，形成非常宽的液桥，即“水高速公路”。这类大直径液桥也可能因在重力作用下坍塌成一个较大的液滴而失效。

静电液桥实验装置示意图：水平、垂直构型及放电棒；设备电压显示。
图1. 静电液桥实验的基本设备。 典型的用于形成静电液桥的水平（a）和垂直（b）实验系统的示意图。为清晰起见，省略了一些机械细节，例如安装带和电极支架。主要组件包括液体容器（i）、绝缘平台或支架（j）、电极（k）以及高压电源（m）。建议使用线性平移台，以便在液桥形成后安全地分离两个容器。图（c）所示的放电棒由一段非导电的刚性材料（p）、一根导电金属杆（q）以及以交叉方式缠绕的数圈电工胶带或其他固定材料（r）组装而成。实验结束后，使用金属端将两个电极短接，以确保在接触设备前电路已完全放电。请点击此处查看该图的放大版本。

在不同电压（0 kV 至 8 kV）下液桥的形成，微流控实验序列。
图 2. 毛细水桥与电液动力学（EHD）水桥的比较。 水平毛细水桥仅能跨越 1.5 mm 的小间隙（a），而在 4 kV（b）、6 kV（c）和 8 kV（d）三种不同电压下的水平 EHD 水桥则可轻松跨越该间隙。需注意，EHD 水桥沿喷嘴表面流动，而毛细水桥则悬于两喷嘴之间。同样，垂直毛细水桥（e）的腰部较窄（直径约 1.5 mm），最大延伸距离约为 3.3 mm，而垂直 EHD 水桥则具有可延伸性。在与毛细水桥相同的间距下，分别在 4 kV（f）、6 kV（g）和 8 kV（h）驱动的三个 EHD 水桥如图所示。随着电压升高，水桥腰部直径增大、流速加快，并因水桥内功率耗散增加而产生更明显的加热效应。同时，在较高电压下还可观察到气泡生成增多，这是由于温度升高导致气体溶解度下降所致。所有图像中的比例尺均为 1 mm。请点击此处查看该图的高清版本。

液桥特性曲线、电流-电压关系图、实验装置示意图
图3. 液态水桥的特性曲线。 本图展示了在0、5、10、15 mm间距下液态水桥的电流-电压关系。存在一个下限阈值（低于该值无法形成液桥，见左下角插图），以及一个上限阈值（高于该值液桥将变得不稳定，见插图1-4），二者之间为液桥的稳定区域。对于大多数具有一定可测量长度（i.e. ≥ 5 mm）的液桥，总功率耗散介于10至20瓦之间。当超过上限阈值时，液桥破裂通常经历一系列过程：从正常运行状态（插图1）发展为泄漏（插图2）、下垂（插图3），最终断裂（插图4）。请点击此处查看本图的高清版本。

0 kV 和 15 kV 下的表面形变分析；图示显示表面高度的变化。
图4. 体积膨胀。 利用投射的二值条纹图案，可观察到两个容器中整个液面在施加电场作用下上升。两个盛有水的聚四氟乙烯烧杯在施加不同电压下成像：a) 0 kV 和 b) 15 kV。通过 IDEA33 软件分析投射条纹的变化（图c），该软件采用滤波傅里叶变换将条纹调制频率的变化转换为相对高度的升高量。检测到的位移不均匀性是由于投射条纹的空间频率较低，以及基于离散余弦变换的相位解包裹方法所产生的伪影所致。请点击此处查看该图的高清版本。

表面张力作用：悬浮在水中的物体、实验照片、静态平衡演示。
图 5. 介电泳与电湿润现象。 甘油在高电势电场下的机电响应。两个铂电极浸入无水甘油中，在 0 kV（a）和 19 kV（b）条件下，显示液体被强烈向上驱动。在对 Pellat 实验的改进中，被抬升的液柱完全脱离下方储液池，形成由两个电极间维持的电液动力学（EHD）甘油桥（c）。同样地，在棒状电极的情况下（d），施加 15 kV 电压后，三相接触线沿电极上升（e），将电极提起可带动液柱向上形成截头圆锥形（f），显示出强电场诱导的润湿性增强。比例尺为 5 mm。静止图像取自补充视频 S1（a–c）和 S2（d–f）。请点击此处查看该图的放大版本。

液体中的热扩散过程，延时热成像，温度变化分析。
图6. 红外成像下的Sumoto效应。 在非均匀电场中，单个容器内甘油的红外图像序列，电场由图（a）中可见光下所示的简单点-板电极系统提供。在 t = 0 秒时施加电源（19 kV 直流）。在点电极下方出现局部表面冷却（t = 15 秒）。该局部冷却逐渐扩展至整个表面，并形成非均质性，同时产生旋转力；尽管该力立即产生，但初始较小，约需75秒才在表面明显可见。帧间时间间隔为15秒。比例尺为10 mm。图像选自补充视频S3。请点击此处查看该图的高清版本。

泰勒锥、静置液滴演化；实验序列；温度依赖性流动分析。
图7. 在间距为10 mm的垂直液桥系统中的预点火冷却现象。 在施加电压逐渐升高的过程中，垂直水桥装置的上方泰勒锥与下方静置液滴的局部放大图像如图所示。图像为长波红外成像，反映液体表面的热辐射。从图像可见，随着外加电压的升高，上下两个液体表面均持续冷却并拉伸（a-d），在即将从上方泰勒锥喷射出射流之前（e），两者温度均降至比初始状态低1–2 °C的最低值（a）。下方液滴在带电射流到达前发生回缩，但在接触后迅速融合（e-f），随后因稳定的电液动力学（EHD）液桥形成而温度迅速回升（g）。使用光纤温度探针已验证温度下降现象。由于先前运行的影响，下方静置液滴温度通常比上方锥体高约2 °C；一般情况下，高压容器会达到略高的温度。静止图像来自补充视频S4（上部锥体）和S5（下部液滴）。请点击此处查看该图的高清版本。

流体分散序列、低温SPM成像、10 mm尺度、温度梯度效应研究
图8. 水平水桥从点燃到熄灭过程的热成像图。 代表性组合中波（3.7–5.0 µm）与长波（8.0–9.4 µm）红外图像序列，用于表征水平液桥的操作阶段（以水为例）：（a）点燃，（b）扩张，（c）延伸，（d）稳定，（e）断裂。在此图像序列中，液桥通过切断系统电源而被熄灭。静止图像来自补充视频S6。请点击此处查看该图的高清版本。

热成像序列显示液桥形成过程；温度梯度范围为 -20°C 至 50°C。
图9. 垂直水桥从点燃到熄灭过程的热成像图像。 展示水的垂直液桥运行阶段的代表性长波红外图像序列（7.5–9.0 µm）：（a）点燃，（b）扩展，（c）降低电压，（d）连接结构形成，（e）在瑞利–普拉托不稳定性作用下破裂为液滴。经过时间以毫秒（msec）表示。最后几帧中调整了背景对比度以增强液滴的可视化效果。静帧来自补充视频 S7。请点击此处查看此图的高清版本。

静态平衡；热量分布；热成像；温度梯度分析。
图10. DMSO和甘油中水平桥的热成像图。 二甲基亚砜（DMSO）（a）和甘油（b）桥在中波红外（3.7–5.0 µm）与长波红外（8.0–9.4 µm）复合图像中的辐射情况。图像截取自补充视频S8（DMSO）和S9（甘油）。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

成功形成稳定且坚固的电液动力学（EHD）液桥需要注意一些简单但重要的细节。溶液的离子电导率必须尽可能低，但需保持在实际可行的范围内。例如，1-5 µS/cm）。需注意，水污染可能导致某些极性液体的电导率升高例如，甘油）。彻底清洗所有玻璃器皿，注意充分冲洗，仅使用无表面污染或电弧灼烧痕迹的玻璃器皿。通常情况下，操作任何设备时均应佩戴手套，以防止皮肤油脂和盐分污染实验。电极应在所研究的溶剂中超声处理数分钟，建议通过运行30–45分钟的未延长液接界进行“烧制”处理 在高电流值下（例如，3-5 mA）以减少二次电极反应。高纯度（例如, >99.9%）的贵金属作为电极材料效果最佳，且应具有足够的表面积，以维持约10 A/m²的低电流密度，从而减少局部加热。

对于稳定性较差或难以启动的液桥，建议首先确认液体的电导率约为 ~1 µS/cm，并确保不存在可能提供替代电流通路的多余液滴。通常建议所有表面尽可能保持干燥，特别注意容器与绝缘板之间可能形成的液膜。如果出现电弧，应立即中断电源，降低电压值，然后重新通电，因为持续的电弧会导致受影响区域发生“碳化”，从而降低液桥的稳定性，甚至完全阻止液桥的形成。若施加的电压已超过阈值电压但仍未形成液桥，可使用绝缘的玻璃棒将液体向上引导至两个容器之间的接触点（例如 烧杯的倾注口）。如果系统仍然表现不稳定，则应清洁设备并使用新鲜液体重新开始实验。若问题仍未解决，建议检查周围环境，大型金属物体、易积累静电的材料或强气流均可能干扰液桥及其所依赖的电场。

该实验系统易于修改，可适配大多数实验室中常见的材料。液体容器可采用几乎任何相容性材料，但需特别注意在发生电弧时容器或液相的易燃性；例如，聚四氟乙烯（Teflon）燃烧时会产生有害气体。电极的形状、位置和材料也可根据特定实验装置的限制进行调整。通常使用金属箔制成的平面电极，但只要考虑电流密度的指导原则，导线也可用作电极。所施加的电场可以是纯直流电（DC）、纯交流电（AC），或直流偏置交流电（DC biased AC）。在介电层上电润湿（electrowetting on dielectric, EWOD）和介电电泳（dielectrophoresis, DEP）相关文献所述的液体频率依赖性响应范围内，上述各类电场均能形成液桥。9 其定义了在中等电压下介于20 Hz至高达20 kHz之间的响应频率范围。尽管尚未明确测试更高频率范围是否可形成液桥，但已有研究人员报道交流垂直液桥的下限频率为50 Hz。42重力方向的取向也易于改变，只要能够设计出一种系统，提供在无外加电场条件下保持稳定的自由液面即可。相关实验已在无重力条件下进行。41 这表明这些液桥依赖于重力的稳定作用，重力维持了液桥中力的精妙平衡。

EHD 液体桥是一种可添加到多种自然科学应用工具库中的新技术。它能够用于研究体相力和表面力与外加电场之间的相互作用。该技术为探索不同液体的混合新方法37、改变化学反应动力学52、质子传输过程44,45，以及考察生物系统在这些条件下的响应53提供了新的机遇。此外，这些液体桥能够在无任何物理支撑结构干扰的情况下直接接触液体表面，已由此获得了关于液态水动力学的新型光谱信息28，不仅提示了存在一种由电场控制的状态转换机制，从而产生新的体相性质31，还揭示了通过一种全新方法研究液-液相变过程的潜力54。EHD 工艺在工业上的广泛应用（例如，静电纺丝26和电喷雾32,33技术）无疑将从对这些密切相关现象的进一步研究中获益。

披露

作者 Mónica López Sáenz 博士和 Oliver Schreer 博士是 IRCAM GmbH 的员工，该公司生产本文所使用的仪器。其余作者声明不存在竞争性经济利益。

致谢

本工作是在 Wetsus 可持续水技术卓越中心（www.wetsus.nl）的 TTIW 合作框架内完成的。Wetsus 由荷兰经济事务部、欧盟区域发展基金、弗里斯兰省、吕伐登市以及“北荷兰合作组织”的 EZ/Kompas 项目共同资助。作者谨向“应用水物理学”研究主题的参与者致以感谢，感谢他们富有成效的讨论以及提供的资金支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
硼硅酸盐结晶皿VWR216-0064
带有GL14和GL8接口以及6 mm球形接头端口的双层圆底烧瓶LGSSP757102a定制玻璃器皿，至少有两个开口，一个用于电极，一个用于盐桥出口。
可调平台Rudolf Grauer AGSwiss Boy 115
运动平移台ThorlabsMTS25/M-Z8E完整的电动平移台、控制器和电源
绝缘板应能耐受预定电压而不发生击穿
Pt电极Alfa-Aesar000261使用前用18.2 MΩ水清洗并超声处理
高压电源（HVPS）FUG GmbHHCP 350-65000最大输出为65 kV直流电压，5 mA
光纤温度探针系统OpSensOTG-F 传感器/XXX-XXX 控制单元读取速度1 kHz，精度0.01 K，探针尺寸120 μm
长波红外相机IRCAM GmBHTaurus 110K L168帧/秒，384 × 288分辨率，灵敏度< 30 mK
长波红外相机FLIRFLIR 62030帧/秒，640 × 480像素，灵敏度可达< 45 mK
双波段中波和长波红外相机IRCAM GmBHGeminis 110k ML
数码相机Canon550D用于视频和静态图像拍摄
三脚架Manfrotto475B/405
18.2 MΩ水Milli-QAdvantage分装至透明硼硅酸盐瓶后，静置24小时以达到平衡
含水量低于0.0050%的甲醇，AnalaR NORMAPUR级VWR-BDH20856.296保持干燥，直至使用时取出
合成用无水甘油VWR - Merck Millipore8.18709.1000保持干燥，直至使用时取出
二甲基亚砜，ACS级VWR-BDHBDH1115-1LP保持干燥，直至使用时取出

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重印与许可

勘误


Formal Correction: Erratum: The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

An erratum was issued for The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids. Figure 3 was updated because it had an incorrect representation of the power used in an operating bridge.

Figure 3 has been updated from:

Floating water bridge, characteristic curves graph; current vs. voltage relationship; threshold analysis.
Figure 3. Characteristic curves for a liquid water bridge. The current-voltage relationship for liquid water bridges at 0, 5, 10, 15 mm separation distance is plotted. A lower threshold below which no liquid bridge will form (see inset photo at lower left), and an upper threshold above which bridges are unstable (inset photos 1-4) bound the region of stability. For most bridges with some measureable extension (i.e. ≥ 5 mm) the total power dissipation lies between 10 and 20 watts. The rupture of a bridge beyond the upper threshold will often follow a sequence of events progressing from normal operation (inset 1), to leaking (inset 2), sagging (inset 3), and finally rupture (inset 4).

to:

Floating water bridge graph with current vs. voltage, diagram showing threshold curves and stability images.
Figure 3. Characteristic curves for a liquid water bridge. The current-voltage relationship for liquid water bridges at 0, 5, 10, 15 mm separation distance is plotted. A lower threshold below which no liquid bridge will form (see inset photo at lower left), and an upper threshold above which bridges are unstable (inset photos 1-4) bound the region of stability.  Power dissipation is a tunable parameter where longer bridges have a more narrow tuning range than shorter bridges. The rupture of a bridge beyond the upper threshold will often follow a sequence of events progressing from normal operation (inset 1), to leaking (inset 2), sagging (inset 3), and finally rupture (inset 4).

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