Génération et contrôle d’électrohydrodynamique coule dans les Solutions d’électrolytes aqueux

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la recherche en micro et nanofluidique, telles que l’efficacité du transport des fuites dans des espaces étroits. Le principal avantage de cette technique est que les cations et les anions, dont les voies de transport sont électrifiées à l’aide d’une membrane échangeuse d’ions, entraînent le flux électrohydrodynamique. Ayoko Yano, professeure adjointe à l’Université de Gunma, diplômée de notre laboratoire, et Fumika Nito, doctorante de notre laboratoire, feront la démonstration des procédures.

Tout d’abord, collez des plaques acryliques aux deux extrémités d’un moule en PTFE avec un adhésif plastique, qui fera des fentes dans le réservoir pour installer les électrodes de polarisation. Dans un tube de 50 millilitres, mélanger une base d’élastomère de silicone dans un agent de durcissement dans un rapport de dix pour un. Ensuite, placez un PDMS liquide dans une chambre à vide et dégazez-le à l’aide d’une pompe rotative.

Retirez le tube de la cuve à vide. Versez ensuite le PDMS dans un récipient en plastique cubique de 40 x 50 x 24 millimètres, pour mouler la forme extérieure du réservoir, et placez-y le moule du réservoir. Faites cuire tout le corps du PDMS liquide sur une plaque chauffante à 80 degrés Celsius pendant environ quatre heures.

Après la cuisson, isolez à la main le réservoir PDMS du moule en PTFE dans le récipient extérieur. Faites ensuite une fente au centre du réservoir, à l’aide d’un couteau chirurgical. À l’aide d’une pince à épiler, placez des plaques de verre, préalablement recouvertes d’une fine pellicule d’or, aux deux extrémités du réservoir, pour servir d’électrodes de polarisation.

Ensuite, coupez une membrane échangeuse d’anions en un rectangle carré de 20 x 18 millimètres, à l’aide de ciseaux. Découpez ensuite un rectangle carré de trois points cinq millimètres sur cinq à partir d’un bord de la membrane. Maintenant, coupez un bloc PDMS solidifié avec un canal d’écoulement carré en un morceau cube de trois par six par quatre par quatre points cinq millimètres, à l’aide d’un couteau chirurgical.

Faites des fentes le long des bords extérieurs et fixez-le à la membrane à l’intérieur de la découpe rectangulaire. Ensuite, placez la membrane échangeuse d’anions avec le canal d’écoulement PDMS dans le réservoir PDMS, à l’aide d’une pince à épiler. À l’aide d’une micropipette, remplissez le réservoir de quatre millilitres de solution d’hydroxyde de sodium.

Appliquez un potentiel électrique de deux virgule deux volts, à l’aide d’une source d’alimentation CC, vers l’avant et vers l’arrière, pendant deux heures chacune en série, afin d’améliorer la conductivité de la membrane avant l’observation. Ensuite, retirez les électrodes dorées à l’aide d’une pince à épiler. Ensuite, retirez la solution du réservoir, à l’aide d’une micropipette.

Placez de nouvelles électrodes dorées dans le réservoir à l’aide d’une pince à épiler. Remplissez le réservoir avec quatre millilitres de solution d’hydroxyde de sodium, à l’aide d’une micropipette. À ce stade, réglez la fréquence d’images et le temps d’exposition d’une caméra à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire à grande vitesse sur 500 images par seconde et une milliseconde, respectivement.

Retirez les bulles du canal, en insérant la pointe d’une micropipette dans l’extrémité du canal pour les pousser ou les retirer, avant d’appliquer un potentiel électrique. Maintenant, appliquez extérieurement un potentiel électrique de deux virgule deux volts aux électrodes de polarisation en or. Surveiller simultanément les réponses électriques, à l’aide d’un potentiostat, puis enregistrer le comportement des particules de traçage sur l’ordinateur.

Former des électrodes de polarisation en or avec une surface carrée de 26 x 10 millimètres sur la plaque de verre inférieure, selon des procédures similaires à celles décrites précédemment. À l’aide d’une pulvérisation par radiofréquence, enduire la surface du verre de chrome exposé au plasma d’argon pendant deux minutes à 75 watts et déposer une fine pellicule d’or pendant cinq minutes à 75 watts. À l’aide d’un fer à souder, soudez une ligne de plomb sur un bord des électrodes.

À partir d’une grande feuille de caoutchouc de silicone, découpez deux chambres, chacune constituée d’un canal d’écoulement d’un millimètre par un millimètre placé entre deux réservoirs, à l’aide d’un couteau chirurgical. Ensuite, découpez une membrane échangeuse de cations à 20 x 30 millimètres carrés, à l’aide d’un couteau chirurgical. Ultrasonisez chaque partie dans de l’eau pure pendant 15 minutes, en appliquant 100 watts.

Insérez la membrane échangeuse de cations entre les chambres, à l’aide d’une pince à épiler, puis appuyez et scellez l’empilement des chambres et de la membrane échangeuse de cations, avec des plaques de verre. À l’aide de seringues, injectez des solutions de particules de polystyrène Tris-EDTA et de chlorure de potassium Tris-EDTA préalablement préparées dans les chambres inférieure et supérieure, respectivement. Maintenant, placez l’appareil expérimental sur la platine d’un microscope inversé.

Connectez le microscope à la caméra à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire à grande vitesse pour surveiller les trajectoires des mouvements des particules et enregistrer les données d’observation sur un ordinateur. Enfin, appliquez une différence de potentiel électrique de deux volts toutes les six secondes entre les deux électrodes, en utilisant un générateur de fonctions comme source d’alimentation. Un résultat représentatif de la génération d’un écoulement EHD, résultant de la rectification des voies de transport d’ions et des cations hautement concentrés qui ont induit un écoulement liquide dans le canal, est présenté ici.

L’analyse PIV a démontré que la vitesse des particules de traçage augmentait rapidement jusqu’à une valeur maximale, lorsqu’un potentiel éclectique de deux virgule deux volts était appliqué. Après cela, le vecteur vitesse a diminué et a convergé vers zéro. Un résultat représentatif de l’écoulement EHD généré dans une solution polarisée électriquement, dans des conditions de courant ionique, est présenté ici.

La réponse de vitesse de l’écoulement EHD a été analysée en suivant les particules traceurs, qui ont répondu au champ électrique lorsque deux volts ont été appliqués. Les particules se sont rapidement déplacées vers l’arrière et, après une courte période de réponse, le flux a changé vers l’avant et la vitesse est devenue stable, jusqu’à ce que le potentiel électrique soit désactivé. Le flux EHD, entraîné par les ions sodium dans le canal, est déclenché par le transport des ions hydroxyde dans une membrane échangeuse d’anions.

Dans l’écoulement EHD, induit dans des conditions de courant cationique, les ions potassium pénètrent dans une membrane échangeuse de cations, provoquant des conditions de dominance cationique, et, par conséquent, l’écoulement EHD est induit le long du courant cationique. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en deux heures, si elle est correctement exécutée. Notez la prise en compte du temps pour les deux électrodes d’or et l’attente de la solution d’électrification pour se stabiliser.

Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler que l’incorporation des solutions electride prend beaucoup de temps. En suivant cette procédure, la condition électro-neutre doit être modérée dans des conditions de courant ionique pour entraîner les écoulements électrohydrodynamiques. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine du micro et nano fanomer fluidique, pour explorer de nouvelles méthodes de contrôle de flux dans divers types de fuites.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de créer des écoulements électrohydrodynamiques induits par des courants ioniques électrifiés. N’oubliez pas que travailler avec de l’hydroxyde de sodium à haute concentration peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles que le port de lunettes de sécurité, de gants et d’une blouse de laboratoire, doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.