Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della ricerca micro e nanofluidica, come l'efficacia del trasporto delle perdite in spazi ristretti. Il vantaggio principale di questa tecnica è che i cationi e gli anioni, le cui vie di trasporto sono elettrificate utilizzando una membrana a scambio ionico, guidano il flusso elettroidrodinamico. A dimostrare le procedure sono Ayoko Yano, assistente professore dell'Università di Gunma, che si è laureata nel nostro laboratorio, e Fumika Nito, dottoranda del nostro laboratorio.

Per prima cosa, fai aderire le piastre acriliche su entrambe le estremità di uno stampo in PTFE con un adesivo plastico, che farà delle fessure nel serbatoio per depositare gli elettrodi di polarizzazione. In un tubo da 50 millilitri, mescolare una base di elastomero siliconico con l'agente indurente in un rapporto di dieci a uno. Successivamente, posizionare un PDMS liquido in un recipiente a vuoto e degassarlo utilizzando una pompa rotativa.

Rimuovere il tubo dal recipiente per il vuoto. Quindi versare il PDMS in un recipiente di plastica a cubetti di 40 x 50 x 24 millimetri, per modellare la forma esterna del serbatoio, e posizionare lo stampo del serbatoio al suo interno. Cuocere tutto il corpo del PDMS liquido su una piastra calda a 80 gradi Celsius per circa quattro ore.

Dopo la cottura, isolare a mano il serbatoio PDMS dallo stampo in PTFE nel recipiente esterno. Quindi fai una fessura al centro del serbatoio, usando un coltello chirurgico. Usando una pinzetta, posizionare delle lastre di vetro, precedentemente rivestite con una pellicola sottile d'oro, su entrambe le estremità del serbatoio, per fungere da elettrodi di polarizzazione.

Quindi, taglia una membrana a scambio anionico in un rettangolo quadrato di 20 x 18 millimetri, usando le forbici. Quindi tagliare un rettangolo quadrato di cinque millimetri di tre per cinque punti da un bordo della membrana. Ora, taglia un blocco PDMS solidificato con un canale di flusso quadrato in un pezzo cubo di tre per sei per quattro virgola di cinque millimetri cubi, usando un coltello chirurgico.

Fai delle fessure lungo i bordi esterni e attaccala alla membrana all'interno del ritaglio rettangolare. Successivamente, posizionare la membrana a scambio anionico con il canale di flusso PDMS nel serbatoio PDMS, con una pinzetta. Utilizzando una micropipetta, riempire il serbatoio con quattro millilitri di soluzione di idrossido di sodio.

Applicare un potenziale elettrico di due virgola due volt, utilizzando una fonte di alimentazione CC, in avanti e indietro, per due ore ciascuna in serie, per migliorare la conduttività della membrana prima dell'osservazione. Successivamente, estrarre gli elettrodi d'oro con una pinzetta. Quindi, rimuovere la soluzione dal serbatoio, utilizzando una micropipetta.

Posiziona nuovi elettrodi d'oro nel serbatoio con una pinzetta. Riempire il serbatoio con quattro millilitri di soluzione di idrossido di sodio, utilizzando una micropipetta. A questo punto, impostare la frequenza dei fotogrammi e il tempo di esposizione di una fotocamera a semiconduttore di ossido di metallo complementare ad alta velocità rispettivamente su 500 fotogrammi al secondo e un millisecondo.

Rimuovere eventuali bolle dal canale, inserendo la punta di una micropipetta nell'estremità del canale per spingerle o estrarle, prima di applicare un potenziale elettrico. Ora, applicare esternamente un potenziale elettrico di due virgola due volt agli elettrodi di polarizzazione in oro. Monitora contemporaneamente le risposte elettriche, utilizzando un potenziostato, quindi registra il comportamento delle particelle traccianti sul computer.

Formare elettrodi di polarizzazione in oro con una superficie quadrata di 26 x 10 millimetri sulla lastra di vetro inferiore, secondo procedure simili a quelle precedentemente descritte. Utilizzando lo sputtering a radiofrequenza, rivestire la superficie del vetro con cromo esposto al plasma di argon per due minuti a 75 watt e depositare una sottile pellicola d'oro per cinque minuti a 75 watt. Usando un saldatore, saldare una linea di piombo su un bordo degli elettrodi.

Da un grande foglio di gomma siliconica, ritagliare due camere, ciascuna costituita da un canale di flusso cubico uno ad uno per un millimetro posto tra due serbatoi, utilizzando un coltello chirurgico. Quindi, ritagliare una membrana a scambio cationico a 20 x 30 millimetri quadrati, usando un coltello chirurgico. Ultrasuoni in acqua pura per 15 minuti, applicando 100 watt.

Inserire la membrana a scambio cationico tra le camere, utilizzando una pinzetta, quindi premere e sigillare la pila delle camere e la membrana a scambio cationico, con lastre di vetro. Utilizzando le siringhe, iniettare la particella di polistirene Tris-EDTA precedentemente preparata e le soluzioni di cloruro di potassio Tris-EDTA rispettivamente nella camera inferiore e in quella superiore. Ora, posiziona il dispositivo sperimentale sul tavolino di un microscopio invertito.

Collegare il microscopio alla fotocamera a semiconduttore di ossido di metallo complementare ad alta velocità per monitorare le traiettorie dei movimenti delle particelle e registrare i dati di osservazione su un computer. Infine, applicare una differenza di potenziale elettrico di due volt per sei secondi tra i due elettrodi, utilizzando un generatore di funzioni come fonte di alimentazione. Qui viene presentato un risultato rappresentativo di una generazione di flusso EHD, risultante dalla rettifica delle vie di trasporto ionico e di cationi altamente concentrati che inducono un flusso di liquido nel canale.

L'analisi PIV ha dimostrato che la velocità delle particelle traccianti aumentava rapidamente fino a raggiungere un valore di picco, quando veniva applicato un potenziale eclettico di due virgola due volt. Dopodiché, la velocità diminuì e convergette a zero. Qui è mostrato un risultato rappresentativo del flusso EHD generato in una soluzione polarizzata elettricamente, in condizioni di corrente ionica.

La risposta alla velocità del flusso EHD è stata analizzata tracciando le particelle traccianti, che rispondevano al campo elettrico quando venivano applicati due volt. Le particelle si sono rapidamente traslocate nella direzione all'indietro e, dopo un breve tempo di risposta, il flusso è cambiato in direzione di avanti e la velocità è diventata costante, fino a quando il potenziale elettrico non è stato disattivato. Il flusso EHD, trascinato dagli ioni sodio nel canale, è innescato dal trasporto di ioni idrossido in una membrana a scambio anionico.

Nel flusso EHD, indotto in condizioni di corrente cationica, gli ioni potassio penetrano in una membrana di scambio cationico, causando condizioni dominanti cationiche e, di conseguenza, il flusso EHD viene indotto lungo la corrente cationica. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in due ore, se eseguita correttamente. Si noti che si tiene conto del tempo necessario per entrambi gli elettrodi d'oro e dell'attesa che la soluzione di electride si stabilizzi.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che l'incorporazione delle soluzioni electride richiede una notevole quantità di tempo. Quando si segue questa procedura, la condizione di neutro elettrico deve essere moderata in condizioni di corrente ionica per guidare i flussi elettroidrodinamici. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo del micro e nano fluidomero per esplorare nuovi metodi di controllo del flusso in vari tipi di perdite.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come creare un flusso elettroidrodinamico indotto da correnti ioniche elettrificate. Non dimenticare che lavorare con idrossido di sodio ad alta concentrazione può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni, come indossare occhiali di sicurezza, guanti e camice da laboratorio.