Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Mikro- und Nanofluidik zu beantworten, z. B. wie effektiv Leckagen auf engstem Raum transportiert werden. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass Kationen und Anionen, deren Transportwege durch eine Ionenaustauschermembran elektrifiziert werden, die elektrohydrodynamische Strömung antreiben. Die Verfahren werden von Ayoko Yano, Assistenzprofessorin der Gunma University, die ihren Abschluss in unserem Labor gemacht hat, und Fumika Nito, einer Doktorandin unseres Labors, demonstriert.

Kleben Sie zunächst Acrylplatten an beiden Enden einer PTFE-Form mit einem Kunststoffkleber auf, der Schlitze in das Reservoir bohrt, um die Bias-Elektroden abzusetzen. Mischen Sie in einer 50-Milliliter-Tube eine Silikonelastomerbasis mit dem Härter im Verhältnis zehn zu eins. Anschließend wird ein flüssiges PDMS in einen Vakuumbehälter gesetzt und mit einer Kreiselpumpe entgast.

Nehmen Sie den Schlauch aus dem Vakuumbehälter. Gießen Sie dann das PDMS in ein 40 x 50 x 24 Millimeter großes gewürfeltes Kunststoffgefäß, um die äußere Form des Reservoirs zu formen, und platzieren Sie die Reservoirform darin. Den ganzen Körper des flüssigen PDMS auf einer heißen Platte bei 80 Grad Celsius für etwa vier Stunden backen.

Isolieren Sie nach dem Backen das PDMS-Reservoir von Hand von der PTFE-Form im Außengefäß. Machen Sie dann mit einem chirurgischen Messer einen Schlitz durch die Mitte des Reservoirs. Setzen Sie mit einer Pinzette Glasplatten, die zuvor mit einem golddünnen Film beschichtet waren, an beide Enden des Reservoirs als Bias-Elektroden ein.

Schneiden Sie als Nächstes mit einer Schere eine Anionenaustauschermembran in ein 20 x 18 Millimeter großes quadratisches Rechteck. Schneiden Sie dann ein drei mal fünf Komma großes, fünf Millimeter großes Rechteck von einer Kante der Membran aus. Schneiden Sie nun mit einem chirurgischen Messer einen erstarrten PDMS-Block mit einem quadratischen Strömungskanal in ein drei mal sechs mal vier Komma großes Würfelstück.

Machen Sie Schlitze entlang der Außenkanten und befestigen Sie sie an der Membran innerhalb des rechteckigen Ausschnitts. Setzen Sie anschließend die Anionenaustauschermembran mit dem PDMS-Strömungskanal mit einer Pinzette in das PDMS-Reservoir ein. Füllen Sie das Reservoir mit einer Mikropipette mit vier Millilitern Natronlauge.

Anlegen eines elektrischen Potentials von zwei Komma zwei Volt unter Verwendung einer Gleichstromquelle in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, jeweils zwei Stunden lang in Reihe, um die Leitfähigkeit der Membran vor der Beobachtung zu verbessern. Ziehe anschließend die goldenen Elektroden mit einer Pinzette heraus. Entfernen Sie dann die Lösung mit einer Mikropipette aus dem Reservoir.

Setzen Sie neue Goldelektroden mit einer Pinzette in das Reservoir. Füllen Sie das Reservoir mit einer Mikropipette mit vier Millilitern Natronlauge. Stellen Sie an dieser Stelle die Bildrate und die Belichtungszeit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera mit komplementären Metalloxid-Halbleitern auf 500 Bilder pro Sekunde bzw. eine Millisekunde ein.

Entfernen Sie alle Blasen aus dem Kanal, indem Sie die Spitze einer Mikropipette in das Kanalende einführen, um sie herauszudrücken oder herauszuziehen, bevor Sie ein elektrisches Potenzial anlegen. Legen Sie nun extern ein elektrisches Potential von zwei Komma zwei Volt an die Gold-Bias-Elektroden an. Überwachen Sie gleichzeitig die elektrischen Reaktionen mit einem Potentiostaten und zeichnen Sie dann das Verhalten der Tracer-Partikel auf dem Computer auf.

Bilden Sie Gold-Bias-Elektroden mit einer 26 x 10 Millimeter großen quadratischen Oberfläche auf der unteren Glasplatte nach ähnlichen Verfahren wie den zuvor beschriebenen. Beschichten Sie die Glasoberfläche mit Hilfe von Radiofrequenz-Sputtern zwei Minuten lang mit Chrom, das Argonplasma bei 75 Watt ausgesetzt ist, und scheiden Sie fünf Minuten lang einen dünnen Goldfilm bei 75 Watt ab. Löten Sie mit einem Lötkolben eine Bleileitung an einer Kante der Elektroden an.

Schneiden Sie mit einem chirurgischen Messer aus einer großen Silikonkautschukplatte zwei Kammern aus, die jeweils aus einem nach dem Millimeter würfelförmigen Strömungskanal bestehen, der zwischen zwei Reservoirs platziert ist. Schneiden Sie anschließend mit einem chirurgischen Messer eine Kationenaustauschmembran auf 20 x 30 Millimeter im Quadrat aus. Beschallen Sie jedes Teil 15 Minuten lang in reinem Wasser, indem Sie 100 Watt anwenden.

Führen Sie die Kationenaustauschmembran mit einer Pinzette zwischen die Kammern ein, drücken und versiegeln Sie dann den Stapel der Kammern und die Kationenaustauschmembran mit Glasplatten. Injizieren Sie mit Hilfe von Spritzen die zuvor vorbereiteten Tris-EDTA-Polystyrolpartikel und Tris-EDTA-Kaliumchloridlösungen in die untere bzw. obere Kammer. Stellen Sie nun das Experimentiergerät auf den Tisch eines inversen Mikroskops.

Schließen Sie das Mikroskop an die Hochgeschwindigkeits-Komplementärmetalloxid-Halbleiterkamera an, um die Flugbahnen der Teilchenbewegungen zu überwachen und die Beobachtungsdaten auf einem Computer aufzuzeichnen. Zum Schluss wird zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz von zwei Volt pro sechs Sekunden angelegt, indem ein Funktionsgenerator als Stromquelle verwendet wird. Ein repräsentatives Ergebnis einer EHD-Strömungserzeugung, das sich aus der Gleichrichtung von Ionentransportwegen und hochkonzentrierten Kationen ergibt, die eine Flüssigkeitsströmung im Kanal induzierten, wird hier vorgestellt.

Die PIV-Analyse zeigte, dass die Geschwindigkeit der Tracerpartikel schnell auf einen Spitzenwert anstieg, wenn ein eklektisches Potential von zwei Komma zwei Volt angelegt wurde. Danach nahm die Geschwindigkeit ab und konvergierte gegen Null. Ein repräsentatives Ergebnis der EHD-Strömung, die in einer elektrisch polarisierten Lösung unter Ionenstrombedingungen erzeugt wird, ist hier dargestellt.

Das Geschwindigkeitsverhalten der EHD-Strömung wurde analysiert, indem die Tracer-Partikel verfolgt wurden, die auf das elektrische Feld reagierten, wenn zwei Volt angelegt wurden. Die Teilchen verlagerten sich schnell in die Rückwärtsrichtung, und nach einer kurzen Reaktion änderte sich die Strömung in die Vorwärtsrichtung und die Geschwindigkeit wurde konstant, bis das elektrische Potential abgeschaltet wurde. Die EHD-Strömung, die von Natriumionen im Kanal mitgerissen wird, wird durch den Transport von Hydroxidionen in einer Anionenaustauschmembran ausgelöst.

Bei der EHD-Strömung, die unter kationischen Strombedingungen induziert wird, durchdringen Kaliumionen eine Kationenaustauschmembran, was zu kationendominanten Bedingungen führt, und infolgedessen wird die EHD-Strömung entlang des kationischen Stroms induziert. Einmal gemeistert, kann diese Technik in zwei Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Beachten Sie, dass die Zeit sowohl für die Goldelektroden als auch für das Warten auf die Stabilisierung der Elektridlösung

Bei diesem Verfahren ist zu bedenken, dass die Einarbeitung der Elektridlösungen viel Zeit in Anspruch nimmt. Bei diesem Verfahren muss der elektroneutrale Zustand unter Ionenstrombedingungen gemäßigt werden, um die elektrohydrodynamischen Strömungen anzutreiben. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Mikro- und Nanofluidik, um neue Methoden zur Durchflusskontrolle bei verschiedenen Arten von Leckagen zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man elektrohydrodynamische Strömungen erzeugt, die durch elektrifizierte Ionenströme induziert werden. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit hochkonzentriertem Natriumhydroxid äußerst gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer Schutzbrille, Handschuhe und eines Laborkittels getroffen werden sollten.