Generación y Control de electrohidrodinámicos flujos en soluciones acuosas electrolíticas

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de investigación micro y nano fluídica, como la eficacia con la que se transportan las fugas en espacios estrechos. La principal ventaja de esta técnica es que los cationes y aniones, cuyas vías de transporte se electrifican mediante el uso de una membrana de intercambio iónico, impulsan el flujo electrohidrodinámico. Ayoko Yano, profesora asistente de la Universidad de Gunma, que se graduó en nuestro laboratorio, y Fumika Nito, estudiante de doctorado de nuestro laboratorio, demostrarán los procedimientos.

Primero, adhiera placas acrílicas en ambos extremos de un molde de PTFE con un adhesivo plástico, que hará ranuras en el depósito para asentar los electrodos de polarización. En un tubo de 50 mililitros, mezcle una base de elastómero de silicona en el agente de curado en una proporción de diez a uno. A continuación, coloque un PDMS líquido en un recipiente de vacío y desgasifique con una bomba rotativa.

Retire el tubo del recipiente de vacío. Luego vierta el PDMS en un recipiente de plástico cúbico de 40 por 50 por 24 milímetros, para moldear la forma exterior del depósito y coloque el molde del depósito en él. Hornee todo el cuerpo del PDMS líquido en una placa caliente a 80 grados centígrados durante unas cuatro horas.

Después de hornear, aísle el depósito de PDMS del molde de PTFE en el recipiente exterior a mano. A continuación, haz una hendidura en el centro del depósito con un bisturí. Con pinzas, coloque placas de vidrio, previamente recubiertas con una película delgada de oro, en ambos extremos del depósito, para que sirvan como electrodos de polarización.

A continuación, corte una membrana de intercambio aniónico en un rectángulo cuadrado de 20 por 18 milímetros, con unas tijeras. A continuación, corta un rectángulo cuadrado de tres por cinco puntos y cinco milímetros desde un borde de la membrana. Ahora, corte un bloque de PDMS solidificado con un canal de flujo cuadrado en una pieza cúbica de tres por seis por cuatro punto cinco milímetros, usando un bisturí.

Haz ranuras a lo largo de los bordes exteriores y fíjalas a la membrana dentro del recorte rectangular. A continuación, coloque la membrana de intercambio aniónico con el canal de flujo de PDMS en el depósito de PDMS, con pinzas. Con una micropipeta, llene el depósito con cuatro mililitros de solución de hidróxido de sodio.

Aplique un potencial eléctrico de dos punto dos voltios, utilizando una fuente de alimentación de CC, en direcciones hacia adelante y hacia atrás, durante dos horas cada una en serie, para mejorar la conductividad de la membrana antes de la observación. Después de esto, saque los electrodos de oro con pinzas. A continuación, extraiga la solución del depósito con una micropipeta.

Coloque los nuevos electrodos de oro en el depósito con pinzas. Llene el depósito con cuatro mililitros de solución de hidróxido de sodio, utilizando una micropipeta. En este punto, establezca la velocidad de fotogramas y el tiempo de exposición de una cámara semiconductora de óxido metálico de alta velocidad de cortesía en 500 fotogramas por segundo y un milisegundo, respectivamente.

Elimine las burbujas del canal, insertando la punta de una micropipeta en el extremo del canal para empujarlas o sacarlas, antes de aplicar un potencial eléctrico. Ahora, aplique externamente un potencial eléctrico de dos punto dos voltios a los electrodos de polarización de oro. Monitoree simultáneamente las respuestas eléctricas, utilizando un potenciostato, y luego registre el comportamiento de las partículas trazadoras en la computadora.

Formar electrodos de polarización de oro con una superficie cuadrada de 26 por 10 milímetros en la placa de vidrio inferior, de acuerdo con procedimientos similares a los descritos anteriormente. Usando pulverización catódica por radiofrecuencia, cubra la superficie del vidrio con cromo expuesto al plasma de argón durante dos minutos a 75 vatios y deposite una película delgada de oro durante cinco minutos a 75 vatios. Con un soldador, suelde una línea de plomo en un borde de los electrodos.

A partir de una gran lámina de caucho de silicona, corte dos cámaras, cada una hecha de un canal de flujo cúbico de uno a uno por milímetro colocado entre dos depósitos, utilizando un cuchillo quirúrgico. A continuación, corte una membrana de intercambio catiónico de 20 por 30 milímetros cuadrados, utilizando un bisturí. Ultrasónica cada parte en agua pura durante 15 minutos, aplicando 100 vatios.

Inserte la membrana de intercambio catiónico entre las cámaras, usando pinzas, luego presione y selle la pila de las cámaras y la membrana de intercambio catiónico, con placas de vidrio. Con jeringas, inyecte las soluciones de partículas de poliestireno Tris-EDTA y cloruro de potasio Tris-EDTA previamente preparadas en las cámaras inferior y superior, respectivamente. Ahora, coloque el dispositivo experimental en la plataforma de un microscopio invertido.

Conecte el microscopio a la cámara semiconductora de óxido metálico de alta velocidad para monitorear las trayectorias de los movimientos de las partículas y registrar los datos de observación en una computadora. Finalmente, aplique una diferencia de potencial eléctrico de dos voltios por seis segundos entre los dos electrodos, utilizando un generador de funciones como fuente de energía. Aquí se presenta un resultado representativo de una generación de flujo EHD, resultante de la rectificación de vías de transporte de iones y cationes altamente concentrados que indujeron un flujo de líquido en el canal.

El análisis PIV demostró que la velocidad de las partículas trazadoras aumentó rápidamente a un valor máximo, cuando se aplicó un potencial ecléctico de dos punto dos voltios. Después de eso, la velocidad disminuyó y convergió a cero. Aquí se muestra un resultado representativo del flujo de EHD generado en una solución polarizada eléctricamente, en condiciones de corriente iónica.

La respuesta de velocidad del flujo EHD se analizó mediante el seguimiento de las partículas trazadoras, que respondieron al campo eléctrico cuando se aplicaron dos voltios. Las partículas se translocaron rápidamente en la dirección hacia atrás y, después de una respuesta de corto tiempo, el flujo cambió a la dirección hacia adelante y la velocidad se estabilizó, hasta que se apagó el potencial eléctrico. El flujo de EHD, arrastrado por los iones de sodio en el canal, se desencadena por el transporte de iones de hidróxido en una membrana de intercambio aniónico.

En el flujo de EHD, inducido en condiciones de corriente catiónica, los iones de potasio penetran en una membrana de intercambio catiónico, causando condiciones dominantes de catión y, como resultado, se induce el flujo de EHD a lo largo de la corriente catiónica. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en dos horas, si se realiza correctamente. Tenga en cuenta el tiempo para ambos electrodos de oro y la espera de que la solución electride se estabilice.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que la incorporación de las soluciones electride lleva una cantidad considerable de tiempo. Al seguir este procedimiento, la condición electroneutra debe moderarse en condiciones de corriente iónica para impulsar los flujos electrohidrodinámicos. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo del fanómero micro y nano fluídico, exploraran nuevos métodos de control de flujo en varios tipos de fugas.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer que el flujo electrohidrodinámico sea inducido por corrientes iónicas electrificadas. No olvide que trabajar con hidróxido de sodio de alta concentración puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones, como usar gafas de seguridad, guantes y una bata de laboratorio, mientras se realiza este procedimiento.