水溶液电解质中电液动力流的产生与控制

该方法有助于解答微纳米流体研究领域中的一些关键问题，例如泄漏物在狭窄空间中的传输效率如何。该技术的主要优势在于，利用离子交换膜使阳离子和阴离子的传输路径带电，从而驱动电液动力流动。本实验步骤由群马大学助理教授矢野彩子（Ayoko Yano）和本实验室博士生仁藤文香（Fumika Nito）演示，其中矢野彩子博士曾毕业于本实验室。

首先，使用塑料粘合剂将丙烯酸板粘附在聚四氟乙烯模具的两端，以在储液池中形成用于固定偏置电极的狭缝。在50毫升离心管中，按10:1的比例将硅橡胶基础剂与固化剂混合。随后，将液态聚二甲基硅氧烷（PDMS）置于真空容器中，并使用旋转泵进行脱气处理。

将试管从真空容器中取出。然后将PDMS倒入一个40 × 50 × 24 mm³的塑料容器中，以塑造成储液腔的外部形状，并将储液腔模具放入其中。将液态PDMS整体置于加热板上，在80 °C下烘烤约4小时。

烘烤后，用手将外容器中PDMS储液池从PTFE模具上剥离。然后使用手术刀在储液池中心切开一个狭缝。用镊子将预先镀有金薄膜的玻璃片放置在储液池的两端，作为偏置电极。

接下来，使用剪刀将阴离子交换膜裁剪成一个20毫米×18毫米的矩形。然后，从膜的一边切下一个3毫米×5.5毫米的矩形。现在，使用手术刀将带有方形流道的固化PDMS块切割成一个3毫米×6毫米×4.5毫米的立方体小块。

沿外边缘制作切口，并将其固定在矩形开口内的膜上。随后，用镊子将带有PDMS流道的阴离子交换膜放入PDMS储液池中。使用移液器向储液池中加入4 mL氢氧化钠溶液。

使用直流电源，在正向和反向分别施加2.2伏的电势，每次持续两小时，以提高膜在观察前的导电性。随后，用镊子将金电极取出。然后，使用微量移液器将储液池中的溶液移除。

用镊子将新的金电极放入储液池中。使用微量移液器向储液池中加入四毫升氢氧化钠溶液。此时，将高速互补金属氧化物半导体相机的帧率和曝光时间分别设置为每秒500帧和1毫秒。

在施加电势之前，将微量移液器的尖端插入通道末端，推动或抽出通道内的气泡，以去除所有气泡。随后，对外部金偏置电极施加 2.2 伏的电势。同时使用恒电位仪监测电学响应，并在计算机上记录示踪粒子的行为。

在底部玻璃板上制备尺寸为26 × 10平方毫米的金偏置电极，操作步骤与此前所述方法类似。采用射频溅射技术，先在75瓦功率下用氩等离子体处理铬层两分钟，随后在75瓦功率下溅射沉积金薄膜五分钟。使用电烙铁在电极边缘焊接导线引线。

使用手术刀从一大块硅橡胶板上切割出两个腔室，每个腔室由一个1毫米×1毫米×1毫米的流道组成，流道位于两个储液池之间。接着，使用手术刀将阳离子交换膜切割成20毫米×30毫米的尺寸。将各部件置于纯水中，以100瓦功率超声处理15分钟。

使用镊子将阳离子交换膜插入两个腔室之间，然后用玻璃板压紧并密封腔室与阳离子交换膜的叠层。使用注射器将预先配制的Tris-EDTA聚苯乙烯颗粒溶液和Tris-EDTA氯化钾溶液分别注入下腔室和上腔室。随后，将实验装置置于倒置显微镜的载物台上。

将显微镜连接至高速互补金属氧化物半导体相机，以监测颗粒运动的轨迹，并将观测数据记录在计算机中。最后，使用函数发生器作为电源，在两个电极之间施加每六秒2伏的电势差。此处展示了一个典型的电液动力（EHD）流生成结果，该流动由离子传输路径的整流效应以及高浓度阳离子诱导产生，导致通道内液体流动。

PIV 分析表明，当施加 2.2 伏的电势时，示踪粒子的速度迅速增加至峰值。随后，速度下降并趋近于零。此处展示的是在离子电流条件下，电极化溶液中产生的电液动力学（EHD）流动的代表性结果。

通过追踪示踪粒子来分析EHD流动的速度响应，这些粒子在施加两伏电压时对电场产生响应。粒子首先迅速向后移动，经过短暂的响应时间后，流动方向转为向前，速度趋于稳定，直至关闭电势。该EHD流动由通道中钠离子拖曳形成，其触发机制是阴离子交换膜中氢氧根离子的迁移。

在阳离子电流条件下诱导的EHD流动中，钾离子会穿透阳离子交换膜，导致阳离子占主导的环境，从而沿阳离子电流方向诱导产生EHD流动。一旦掌握该技术，若操作得当，可在两小时内完成。需注意记录金电极制备以及等待电子化溶液稳定所需的时间。

在进行该操作时，需要牢记，电化物溶液的掺入需要相当长的时间。在实施该步骤时，必须在离子电流条件下调节电中性状态，以驱动电液动力流动。该技术发展后，为微纳流体领域的研究人员探索各类泄漏情况下的新型流动控制方法铺平了道路。

观看本视频后，您应能充分理解如何制备由带电离子电流诱导的电液动力学流动。请注意，操作高浓度氢氧化钠具有极高危险性，在进行该实验步骤时，必须采取预防措施，例如佩戴护目镜、手套并穿上实验服。