方法論記事

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

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DOI:

10.3791/51819

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2014年9月30日

 ,  ,  ,  , 
1Applied Water Physics, Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2IRCAM GmbH, 3Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology

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サマリー

水平方向と垂直方向の電気流体の液体ブリッジは、高強度の電界と極性液体誘電体との相互作用を探索するためのシンプルで強力なツールです。 3つの液体（ 例えば 、水、DMSO、およびグリセロール）のためのサーモグラフィー画像を含む基本的な装置および動作例の構成は、提示されている。

要約

水平方向と垂直方向の液体のブリッジは、高強度電場（8-20 kVの/ cm）の極性誘電液体の相互作用を探索するためのシンプルで強力なツールです。これらのブリッジは、それらが、数ミリメートルを超えて拡張性を示す複雑な双方向の物質移動パターンを有し、そして非プランク赤外線を放射するように毛細管ブリッジからユニークである。一般的な溶媒の数は、ブリッジと低伝導度の溶液とコロイド懸濁液を形成することができる。巨視的な挙動は、電気水によって支配し、剛性壁の存在なしに流体の流動現象を研究する手段を提供している。前の液体ブリッジの発症にいくつかの重要な現象が前進するメニスカスの高さ（エレクトロウェッティング）、バルク流体循環（洲本効果）、および荷電した液滴（エレクトロスプレー）の吐出含む観察することができる。表面、偏光、および変位力の間の相互作用を直接調べることができる印加電圧とブリッジ長さを変化させる。重力により補助電界は、レイリー·プラトー不安定性に対する液体架橋を安定化する。 3つの液体（ 例えば 、水、DMSO、およびグリセロール）のためのサーモグラフィー画像を含む動作例、と一緒に垂直および水平方向の両方のための基本的な装置の構成は、提示されている。

概要

電場と材料のバルク内の進化の力の数の液状物の結果との間の相互作用。実際の液体誘電体システムでは、無視できない磁場勾配及び対称性破壊の幾何学的形状は、一見特有の多くの効果をもたらす。ヘルツは、液体-固体誘電体のシステム1における回転運動を注意することが最初の一人だった。クインケは、2つの流体間の界面張力は、外部電場の印加によって変化し、この変化は、流体身体上の力の発揮をもたらし、回転運動2を誘導するために使用することができることれただけでなく、観察した。アームストロングはフックスと共同研究者は、質量と電荷輸送力学4,5を調査し、これらのブリッジが形成されるメカニズムへの重大な科学的な調査を再び開いたときに最近まで謎のパーティのトリックを推移し1893年3浮遊水ブリッジを発見しました。電界はアビリットを持っている平行平板電極間の誘電体の液体上昇中のペラフィネの仕事として、重力に抗して液体を持ち上げるyは6を示している。この持ち上げ動作は、周波数依存性を示し、最終的にはマクスウェルの応力テンソル7を介して記述することができる。誘電体（EWOD）にエレクトロウエッに似周波数依存性8および誘電泳動（DEP）マスフロー9を示さない交流条件下における電気流体力学（EHD）液体架橋に関連した液面上昇を考慮した場合、これは重要です。さらに、高電位電場の印加は、液体ジェットが別れる制御する上で重要であり、液体と電界との相互作用は、エレクトロスプレー噴霧10,11の工業的に重要なプロセスを理解するために不可欠です。

外部電界は、表面エネルギーに影響を与えない。分極の作用せん断応力、フローパターンにすることができます確立される。一例では、不均一な電場の存在下での液体の循環である。これによってelectroconvective電流は、せん断応力によって駆動液体バルクに確立されている。洲本は、流体モータが極性液体または非極性誘電浴に浸漬し、不均一な電場12内に配置された金属棒のいずれかを含むガラスローターを使用して構築することができることを実証した。岡野によるその後の分析は、定性的に実験結果と一致することができ、回転の問題を解決するために、均質な場近似13を使用し、単一の塊のように応答するように、誘電体の液体を必要とした。テーマに関する他の研究者は、彼らが誤って報告されているように、完全にポイントを逃し、ペラフィネ17によって開拓電場作業に応じて14〜16上昇液面として洲本効果を検討した。表面電荷を局在化するプロセスのための対称性の破れと生じるせん断STREの重要性ssの18は、液体のEHD橋梁の研究のために把握することが不可欠である。連続電気機械技術19メルチャーの論文は、バルク液体を処理するための完全な理論的基礎を提供し、等方性の均質な限度内で自由表面を簡素化します。表面の重要性はさらにバルク運動を作り出すことが可能とせん断応力の対称結果の損失などの連続性の観点から、それにもかかわらず、明らかである。偏光された表面へのアプローチの際に生じた反力を受けることができる個別のモバイル流体ボリュームの一般的なケースで考えると、電場の相互作用は、7,21,22関係ナビエ·ストークス20とベルヌーイの両方に置換することができる液体架橋を含むEHD流動現象の多数を記述します。液体架橋のさらなる研究は、23〜25のインクジェット印刷のようなEHDベースの技術、マイクロ·ナノ材料加工26-28、薬物送達29の数を向上させることができ、30、生物医学的応用31,32、および淡水化33。

ここに記載される方法は、その分子が永久双極子モーメントを持つ極性液体中に見出されるEHD液体架橋の形成へのアクセスを提供する。このように誘電率の局所的な変化をもたらすダイポール人口の部分偏光における課さ不均一な電場の結果はさらに、磁場勾配18,34,35を補強する 。この分極は、印加される電界の相対強度に依存し、最終的にブリッジの形成をもたらす異なる液体応答の数を（ 図4-7参照） を生成する変位力を生じさせる。液体はまた、特に、電極上に存在する鋭いエッジがある場合にあっては、電極表面に沿って、テイラー·フロー22,36を開発します。鋭いエッジにおける電荷注入の可能性も存在し、と一致しているしたがって、洲本効果12液体ブリッジシステムをリンクする液体バルク22 electroconvective電流を発生heterocharge層の形成。橋梁の支配EHD関係は広範囲に水や他の極性液体22,36-38のために別の場所でカバーされています。これらの理論的アプローチは、実験データに近づいたときに考慮しなければならない一定の制限を受ける。マクスウェル応力テンソル処理36は、フィールド不均一並びに液体ブリッジの不均一性の影響を受けない。純粋なEHDアプローチ37は、ブリッジアスペクト比にelectrogravitational数との関係の定常状態の定義を提供します。しかし、流動力学の重要な過渡現象（ 例えば 、ブリッジの作成 ​​）が予測されていません。三つの無次元数は、ブリッジの安定性を分析する際に有用であり、以前はマリン＆ローゼ37によって発行され、ここで導出されるE）は、電気毛管力との間の比として定義されている。

figure-introduction-1

ε0は真空の誘電率であり、εは液体の相対誘電率rをE tはブリッジを横切る電界であり、γは表面張力であるように、dは、sおよびd lは直径の垂直および水平の投影である平均直径D mを得た。ボンド番号（ボー）は、重力と毛管力とのバランスについて説明します。

figure-introduction-2

gは重力加速度であり、lは自由橋の長さであり、Vは、ブリッジ体積である。との関係重力、毛細管、および電気的な力はelectrogravitational番号G、Eで表すことができます。

figure-introduction-3

ブリッジを介して流れる電流は断面積、したがって直径に関連している一方、ブリッジの最大伸展性は、印加電圧に関連している。これらの関係は、ブリッジ体積を決定し、したがって、任意の所与の作動液ブリッジの安定性の領域を定義する、結合されている。水のブリッジの特性曲線は、印加電界が表面張力及びブリッジの質量が漏れを生じる大きすぎるそれを超える上限閾値を克服するためには弱すぎるそれ以下低い閾値を示している図3に示されているさらに混乱させるフィールドおよびブリッジ破裂を生じる。

より一般的な御馳走極性溶媒中での液体のブリッジメント19,22は、圧力項に追加された電気変位の用語で修飾されたベルヌーイの式のコンテキストで流動力学を支配する力を予測するためのブリッジで動作する組み合わせ圧力条件を提供しています。また、イオン安定性24オンサーガー関係が平衡ポンピング方向および熱放射の実験的観察と一致して組み込まれている。

極性液体の数は、水、低級脂肪族アルコール（ 例えば 、メタノール）、ポリアルコール（ 例えば 、グリセロール）、ジメチルスルホキシド（DMSO）、及びその他の極性有機物（ 例えば 、ジメチルホルムアミド）などの探究されてきた。無極性誘電体の液体（ 例えば 、ヘキサン）ブリッジの形成を示さない。ブリッジをサポートすることのできる誘電性液体は、これまで良い出発点のfoを確立物理的パラメータの明確に定義されたグループ内の8,22,37うそを研究rはさらなる実験：低伝導率（σ<5μS/ cm）で、中程度の静的な比誘電率（ε= 20〜80）、高表面張力（γ= 21から72 MN / m）の中程度。興味深いことに広範囲の粘度（η= 0.3から987 MPA·秒）かかる橋での作業。グリセロールのような十分に高い粘度の液体では、液体バルクから直接橋を引くことが可能である（ 図5参照）と、誘電泳動力と液体のブリッジ間の重要なリンクです。イオン溶液（ 例えば 、NaCl（水溶液））を架橋形成に非常に破壊的であり、以前の研究では40、ブリッジの温度を上昇させる印加電圧比に長さを減少させ、かつ拡張性を減少させるためにすることが示されている。この動作は、主として流体体積要素と電界との間の結合を減少させる、電荷遮蔽溶解したイオンの効果、ならびに増加した電流の伝導に起因する。

<電歪に伴う必要な圧力条件のみ液体界面21で発見されているため、連続体レベルのEHD現象にPクラス= "jove_contentは">単に生じる。さらに、EHD液体架橋の安定性とシステムのインターフェイスの安定性との間の関係が存在する。減少重力実験41離れて橋を涙力の拡大表面積の結果の場合には。表面があまりにも限られたり、小さなサブテンディング接触面積されている場合同様に、ブリッジは可能性が高い不安定性を開発します。これは、チューブによって、あるいは、一方の電極が表面から上方に引っ張られ、垂直ブリッジの場合には、供給される架橋に示すことができる - 彼らがどこ状況で見られる特徴的な流動力学を欠く得られたブリッジは、長期運転にあまり安定である両方のリザーバは大きな自由表面積を有する。その接続は、流体リザーバに配管ショーiの内に閉じ込められる橋熱の蓄積と立ち下がりの表面張力をncreased。これは、エア·インタフェースが自然にチューブ内に形成することが典型的である。この条件の上限の両方の最大拡張性だけでなく、閉じ込められた液体ブリッジのブリッジの平均寿命。何ブリッジが液体として閉じ込め、そのような加速電圧で持続しないであろう、一方、オープン地表水ブリッジは、優先的にエレクトロスプレーモードに移行し35 200kVで35mmの長さに拡張することができる。チューブ内に供給され、一方、同様に、自由表面の水ブリッジは、制御された条件下で10時間に近づいて安定性寿命を持つシステムの寿命は一般的に2時間未満である。

EHD現象は、一般的にのみ連続体レベルで考えられている。液体架橋の分子基盤についての研究の数は限られて行われている。垂直交流ブリッジを用いたラマン研究42はバルク水に比べて分子間OH-伸縮バンドを調査した。皮下にいくつかの変更電界印加後のatteringプロファイルは構造的起源を有することが示されている。フローティングウォーターブリッジ43 HDOに含まれているHDO分子のOH伸縮振動の振動寿命に超高速、中赤外ポンププローブ分光の使用：D 2 O水ブリッジはHDO分子のためのより短い（630±50フェムト秒）であることが判明したD 2 O（740±40フェムト秒）、対照的に、振動緩和に続く熱化ダイナミクスがバルクHDOよりも（1,500±400フェムト秒）はるかに低速であるのに対し：バルクHDO中のD 2 O（250±90フェムト秒）。エネルギー緩和ダイナミクスにおけるこれらの差異は、強く水ブリッジとバルク水は分子スケールで異なることを示している。また、浮遊水ブリッジの赤外線放射に関する研究は、プロトン伝導帯44の励起状態から基底状態への遷移に起因し得る非熱的特徴を明らかにした。他のより最近のラマン研究reporteDC水にブリッジ45のコアと外側シェルとの間の局所的なpHの相対的な差の指標であるスペクトルの半径方向の分布がある橋渡しdは。 EHD液体ブリッジ内の物理的特性の径方向分布は、さらに、温度と密度プロファイルで相反する半径方向分布を与え、自由または二相の存在の分子度のいずれかで勾配によって説明することができる非弾性UV散乱実験46によって支持されているナノバブルなど。束縛回転の概念（ すなわち librations）は、赤外発光スペクトル44から支持されて、後で概念は小角X線散乱研究47でサポートされていません。 EHD液体橋梁における優先フローの方向は、自動解離速度の変化から生じる。オンサーガーの仕事との合意では、この知見は、分子と連続体レベルでの現象を接続するための約束を保持している 22。 EHD現象の分子的基礎についてのさらなる証拠は、誘電体の液滴からの熱放射が増加する電界に応じて局所的に減少し、ブリッジの開始の直前に最小になるという観察に見出される（ 図7参照）。

EHD液体ブリッジは、複数の長さスケールでの力の間の相互作用を検討する機会を提示し、それがサポートしている重力への向きで液体の数にブリッジのこれらの種類を製造するための標準化された方法を提供することを本研究の具体的な目標である前述した特徴的な現象のフルセットの登場。

プロトコル

1一般的な推奨事項

  1. 手から汗や油による汚染を防止するために、実験のセットアップを通じて使い捨て、パウダーフリーの手袋を着用してください。
  2. きれいなすべてのガラス器具、電極、液相中で溶解することができる汚染物質の導入を防ぐために特別な注意を払って、研究中の液体に連絡して他の部分。
  3. 導電率計を使用して、実験に使用し、それが/ cmの≤1μSであることが確認される液体の導電率を測定する。

2。実験セットアップ

  1. 水平ブリッジシステム（ 図1a）
    1. レベル非導電性表面上に高さ調節可能なプラットフォームのペアを配置します。所定の位置に一つのプラットフォームを修正し、25mmの最小移動を持つ電動式リニア並進ステージ上の他のプラットフォームにマウントします。
    2. 目に絶縁プレートを（ 図1a、パートj）を確保する調節可能なプラットフォームの電子上面。彼らはすべての側面に少なくとも10ミリメートルによってプラットフォームを張り出すようにオーバーサイズである絶縁板を使用。テフロン、アクリル、窓ガラスなどの一般的な材料を使用してください。計画された最大電圧での破壊を防止する厚さを選択してください。
    3. 製造業者の指示に従って、高電圧電源（ 図1a、部品m）を接続する。
    4. 高電圧およびアース線の両方の端部にはんだワニ口クリップ。
    5. 絶縁のプラットフォームの上に水平に突出した絶縁ロッドスタンドリングに硬質の絶縁材料から構成された支持アームの一端を固定します。
    6. ワニ口クリップ、絶縁のプラットフォームの上に下向きに突出しているので、いくつかの電気テープのラップ、ナイロンワイヤータイ、または他の適切な手段のいずれかを使用して支持アームにアースと高電圧配線をマウントします。
    7. クリップ1白金電極（ 図1a、部k）は、2つのワニ口クリップのそれぞれに。
    8. 位置支持アームの高電圧ワイヤが固定プラットフォームの上で、アース線は、移動するプラットフォーム上にあるようにする。
  2. 垂直ブリッジシステム（ 図1b）
    1. クランプは25ミリメートルの最小値を旅行することができるように、直線移動ステージに、非導電性クランプを取り付けます。容器アース線に接続される（ 図1b、パートi）を保持するために、このクランプを使用してください。
    2. 垂直剛性の支持構造にこのアセンブリを取り付けます。
    3. 行と線形変換ステージ上の支持の下に同様の非導電性のクランプを取り付けます。高電圧線に接続される容器を保持するために、このクランプを使用してください。
  3. 「デッドスティック」を確認します（説明のため図1cを参照してください）
    1. 30〜40センチメートル長いガラス又はプラスチック棒などの非導電性の剛性材料の片を得た（ 図＆＃160; 1cは、部分p）。
    2. 縦横に方法または他の固定材料に適用される電気テープ（ 図1c、パートr）のいくつかのラップを使用して、ロッドの一端に導電性の10〜15センチメートル長い金属（ 図1c、部Q）の一部を取り付けます。
    3. 電源回路は、機器を取り扱う前に放出されることを確実にするためにスイッチオフされた後、金属端部と高電圧とグランド電極を橋渡しする「デッド·スティック」を使用してください。

液体橋の3。運用

  1. 水平リキッド橋
    1. ビーカー注ぎ口やリム1-5 mm以内に表面をもたらすために十分な液体で各容器（ 図1a、パートi）を記入してください。このデモで使用される血管（直径60ミリメートル）のために、水の液体の67グラム、DMSOのための74グラム、またはグリセロールのための84.4グラムを使用しています。
    2. 彼らはPHYSように絶縁プラットフォームに2隻を配置ICALLYような注ぎ口のような単一の場所でお互いに連絡したが、直線壁のリムでも動作します。
    3. 液体のみ白金電極ではなく、ワニ口クリップまたはワイヤーにご連絡するように、プラットフォームの高さを調整します。その結果、ブリッジが水平レベルになるように垂直方向の配置に注意してください。
    4. 彼らはブリッジが形成する接触位置から15mmの最小になるように、液体入り容器に白金電極を配置します。注：一般的に電極が血管の中心と2隻が接触した場所から壁遠いの間に配置されている。
  2. 垂直リキッド橋
    1. 、 図1bにiの一部を示すように一つの液体ポートを備えた2清潔な、閉じた血管を使用してください。
    2. トラップされた気泡が存在しないように、研究対象の液体を各容器を埋める。
    3. 各容器に電極（ 図1b、一部k）を挿入し、Cを閉じ所定の位置に液体を保持するためにAP。
    4. 開口部が互いに向かって指すように（2.2を参照）、非導電性のクランプに2つの閉じた血管をマウントします。
    5. 湾曲した液面がガラスのリム上の数ミリ突出するように下部管の開口部に液体を数滴を追加します。
    6. 小さなキャピラリーブリッジを形成し、下部1それだけで接触するように下に上部容器を持参してください。
    7. 下部容器（翻訳）する上部容器に（固定）電極端子とグランドに電源の高電圧出力（ 図1b、部品m）を接続する。
  3. 高電圧オペレーション
    1. 概論
      1. に液体のプール、フィルムまたは液滴は絶縁プラットフォーム上に存在しないことをすべての表面が乾燥していることを確認し、さらに進む前に。
      2. 実験に電源を印加する前には、短絡がないことを確認しないグランドpは、存在しないこと通電表面に接触する人員や装置をもたらすことができる、本aths。すべての手順に従い、高電圧電源の製造元が発行された警告を観察するようにしてください。疑わしい場合には有資格の電気安全担当者からのアドバイスを求める。
      3. 電力を適用する前に電源の極性を（選択可能な場合）に設定。これは、より安定したブリッジを提供するので、一般的には、正の電圧極性を使用しています。注：負極性も電子をシンクはなく調達に起因する機能的な相違に使用されるが、傾向が顕著両方誘電性液体48の物理的特性に影響を与えることができる顕著な空間電荷効果を得るために、実験領域における局所的な電荷密度に影響を与えることができ過剰電荷のような高電位の下で、周囲の絶縁支持構造体上に噴霧することができる。
      4. 現在のこれ以上の5-6よりmAの電流を提供するように、電源装置の電流制限を開きます。
    2. 傾斜またはステップ - を適用することができる2つの電圧のプロファイルのいずれかを選択します。
      1. 第1の始動と液体の性能特性はまだ知られていないときに電圧ランプを使用してください。
        1. 0 kVのを提供するために、電源電圧の上限を下げてください。
        2. 電源装置の出力を有効にして、ゆっくりと約250 V /秒の速度で電圧限界を増加し始める。
        3. ブリッジ点火が発生する電圧を観測、これはおおよその発火閾値電圧（V t）である。
      2. すぐにシステムに電圧を印加する電圧ステップを使用してください。
        1. （3.3.2.1.3を参照）研究中の液体システムのための電圧ランプを用いて決定した点火閾値以上の所望の値に、電源電圧の制限を設定する。
        2. 電源装置の出力を有効にします。注：電圧ステップは、アーク放電および滴の吐出をもたらすことができる、いくつかのそれを必要とすることが安定したブリッジ形の前にconds。数秒以上持続することが許可されている場合、アーク放電が増加し、液体導電率をもたらし、オゾンと過酸化水素を生成します。これは、アーク放電が問題となる場合には、新鮮な材料を用いて液体を交換することをお勧めします。
    3. 点火下記ブリッジを安定させます。
      1. 2隻の間の液体の安定した流れを観察することにより、ブリッジ点火を確認してください。注：これは8〜10 kVの間で一般的に発生し、使用する液体に応じて250〜500μAの間で通電が同行される。
      2. チューン消費電流〜千μAで10〜15 kVの電圧を増加させることによって延長するためのブリッジ。注：実際の値が使用される液体に依存します。
      3. 、15 kVのための例えば 、15ミリ印加電圧が1kVあたり約1mmの距離にブリッジを拡張します。実験の要件に応じてブリッジさらに必要に応じて、調整する。注：安定したブリッジCAnは、多くの時間のために存在する。
  4. シャットダウン手順
    1. 高電圧電源装置の出力を無効にすることで、ブリッジを消す。電源コンデンサが放電すると電圧読み出しがゼロに低下するまで数秒待ちます。
    2. ショートに以前に通電部品を取り扱う前に、電極ホルダを1.3節で構築し、「デッドスティック "を使用してください。

4。イメージング

  1. 縞投影
    1. 透明フィルム上にブラックストライプを印刷することにより、バイナリフリンジプレートを準備し、乳白色の拡散スクリーンにこれを貼り付けます。この例では、A4サイズ（ すなわち 297ミリメートルX 210ミリメートル）フリンジプレートを使用しています。
    2. 縞が全体の実験の設定上に投影されるように、バックライトの前面にフリンジプレートを置きます。
    3. 記録から静止画像やデジタルカメラの任意の数を使用して、干渉縞パターンのムービー。
    4. トラックの変更iのnは液面並びに4.1.3に記録された画像を解析することによりサブテン液の光路長の変化。注：観測された変化の定量分析は、自由に利用できるIDEAプログラム49等の各種ソフトウェアパッケージを用いて干渉縞の評価を介して行われる。縞解析の具体的な詳細および考慮事項は、他の場所で49-51覆われている。
  2. サーモグラフィ画像
    1. メーカーの指示に従ってサーモグラフィカメラのダイナミックレンジを設定します。注：典型的には、2点校正予想される温度範囲を包含する良好な熱的分解能を提供するのに十分である。ほとんどの液体のブリッジは20〜50℃の温度範囲で動作します。
    2. 実験のための適当な温度で検討中の液体の体積の開口面を撮像して放射率補正および温度校正を実行します。
      1. と同一の容器を埋めるそれは、室温で検討中の液体と実験の設定で使用。
      2. そのようなK型熱電対などの液浸サーモプローブを用いて液体の温度を測定する。
      3. 赤外線内の液体の画像を記録します。
      4. ホットプレートや電子レンジを使用して、ブリッジで予想温度に液体の温度を上げる。注：これは、液体の沸点より典型的には10℃以下である（ 例えば 、水、90℃）。
      5. 繰り返しは、高温液に4.2.2.2と4.2.2.3を繰り返します。
    3. 記録された表面積を最大にするように、わずかに垂直ブリッジ水平ブリッジおよびレベルの上にカメラを置きます。注：原因半ばの強い吸収に最も極性液体による赤外線放射を振る長期のみ表面温度分布が表示されます。
    4. 前経口での出力を可能にすることから始まるブリッジシステムのレコード赤外線WER供給および実験を締結したり、カメラのバッファがいっぱいになるまで続く。

結果

電気流体の液体ブリッジは、3つのプロパティによって毛細管液体架橋とは区別される：1）フロー、2）拡張性、3）熱放射;比較は図2に示されている。前に電圧小さな毛細管ブリッジのアプリケーションに液面があっても、水平構成のスパウトであるとき両船の間で頻繁に観察可能である。分離距離は、数ミリメートル未満である場合、それらは垂直構成では避けられない。

電圧がどちらかのランプ（プロトコル3.4.2.1を参照）またはステップ（プロトコル3.4.2.2を参照）で適用することができる。閾値（V tの ）以下の電圧がEHDブリッジを生じないが、このような液体の体積膨張（ 図4）、液体電極接触線の上方への移動（ 図5）、液体の回転および循環のようないくつかの他の現象をトリガすることができバルク（ 図6）、ELEctrosprayingジェットの形成（ 図7）。 V tが調査中の誘電性液体は、本成分の濃度や種類、ならびに使用されるシールド雰囲気のプロパティです。点火の閾値はまた、血管の分離の関数である。ブリッジ点火が何mmの分離が可能であるが、印加電圧が高くなければならず、安定した液体の接続が形成される前に、より長い休止期間は、より暴力的なエレクトロスプレーを用いて観察することができます。例えば、5mmだけ分離された水が充填リザーバと、V tは、17〜20 kVの以上に増加する。

V tを超えていたら、マークイグニッション（ 図8a、9aが ）アークスプレーの組み合わせは、薄いブリッジ<直径1mmの形成の直後。ブリッジが確立されると電流がに（9bは、図8b）を橋の腫れが続く流れます条件に応じて3〜5ミリメ​​ートル径。液体の多くでは、ブリッジ点火から膨潤時間は10〜500ミリ秒の間であり、大部分は印加電圧、分離距離、および液体粘度8,22,37の関数であり、これまで検討した。

水平ブリッジでは流れの方向は、特定の液体の条件に依存している。通常、正味の流れは、高電圧の極性が正である陰極に向かって陽極から実行されます。拡張子（ 図8c）の際直径が1〜10 Hzの低周波数で一般的に変動します。より高い周波数の振動も発生し、表面波として表示されます。バックバイナリフリンジパターンで照射されたときに光学活性密度波はブリッジ本体に表示されます。システムの特定の応答関数は、液体システム、ならびに電源特性の両方に依存する。

垂直ブリッジは時間と多くの点で類似しているorizo​​ntalもの;しかし、これらは強力な質量流量の証拠を示さず、典型的に誇張されたアンフォラ状の形状を有している。液体と拡張性（ 図9c）のより円柱に駆動電圧の結果を大きくすると、水平方向の橋梁（水用など 、1.25ミリメートル/ kVの）よりもやや優れています。水平ブリッジのように垂直ブリッジは前に電圧への流体の体とが直接接触することなく形成することができる。この場合、テイラーコーンは、上部振子滴に形成することが観察される。このスプレーはすぐに下固着液滴と接触すると膨潤する安定したジェットを形成する下向きに延長されます。

エレクトロスプレーとは異なり、極性誘電体の液体中のEHDブリッジは、両方の熱の形だけでなく、非熱赤外線（IR）放射44のエネルギーを消費します。液体架橋（ 図7-10）のサーモグラフィ記録はquのためだけでなく、表面流動ダイナミクスを調べるための便利なツールですエネルギーのoperando IR に積極的な分布をantifying。熱放射は、オーム加熱に大部分起因し、異なる液体が異なる同一の消費電力を与えられた熱傾向があるので、したがって、イオン安定性の敏感な尺度である。例えば水ブリッジ（ 図9c）の場合は、通常、35〜50℃の間で動作し、アルコールブリッジは、イオンの安定性39の両方で低い蒸気圧のアカウントだけでなく、違いの数度の低温で動作。このリンクされた挙動の別の例は、低い蒸気圧を有し、ほとんどの他の極性液体に反対方向に移行する負イオンを形成する非プロトンDMSO中に見出される。 DMSOブリッジは100°C（ 図10a）に近い温度で作動する傾向がある。グリセロール架橋に見出さ局所的に加熱することによって分かるように、粘度、および熱容量は、システム内で消費されるか、熱エネルギーに重要な役割を果たしている（ 図10b）。

図8eは、9E）混乱されるまでブレークアップは、通常、直径の縮小（ 図8dは、9D）を進行します電場。ブリッジ直径が高い素材、および水の下方への噴流をもたらす大きくなりすぎると、典型的には、水平構成で見つかったブリッジ破壊の別のモードでは、発生する。この動作は、ブリッジは再び滴に不安定化する可能性があり、「揺れ」効果を生成する橋の振動につながることができます。大口径BRIDGESが原因オーバーフロー状態になり一方向の流れに一つの容器内の過剰静水頭圧の結果として発生する可能性があります。代わりにわずかな分離と高い値に電圧を増加させることは非常に広いブリッジまたは "水のハイウェイ"を生成します。これらの大口径橋も下方向に重力に該当する一つの大きな液滴に破壊することで、失敗する可能性があります。

figure-results-1
EHD液体架橋実験のために、図1の基本的な設備。EHD液体架橋を作成するための典型的な（a）の水平および垂直（b）は、実験システムの概略図。このような取付ストラップと電極支持体のようないくつかの機械的な詳細は、明確にするために省略されている。必須成分は、プラットフォームまたはカ月絶縁性液体の容器は、（i）、であるunts（j）は、電極（k）は、高電圧電源（m）を。線形変換ステージを一旦ブリッジが確立されている2隻の安全な分離のために推奨されている。パネル（c）に示すデッドスティックは、非導電性の剛性材料（p）は、導電性の金属棒（q）の片から組み立てされ、十字形の方法または他の固定材料（r）とに印加される電気テープのいくつかのラップ。金属端部が回路は機器を取り扱う前に放出されることを保証するために、実験終了後に二つの電極間のショートを形成するために使用されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-2
毛細血管およびEHD水ブリッジの2の比較図。3つの異なる電圧（b）は 、6 kVの（c）に4 kVの、8 kVの（d）に水平EHDブリッジが容易に隙間を渡す一方、水平毛細管ブリッジはわずか1.5ミリメートル（a）は小さなギャップにまたがることができる。キャピラリーブリッジが噴出の間に懸架されているのに対し、EHDブリッジが噴出上を流れることに注意してください。同様に、垂直方向の毛細管ブリッジ（e）は （〜1.5mmの直径）より狭いウェストを有し、唯一の拡張可能な垂直EHDブリッジとは異なり〜3.3ミリメートル拡張することができる。 4 kVの（f）は 、6 kVの（g）に、毛細管ブリッジと同じ分離距離で8 kVの（ 時間 ）で駆動される三EHDブリッジが示されている。より高い電圧は、ブリッジ内の増大した電力損失の結果として、ブリッジウエスト径、流速の増加加熱を増大させる。ガスの溶解度は温度の上昇と共に減少するにつれて、気泡形成の増加は、より高い電圧で観察される。スケールバーすべてのフレームに1mmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-3
図液状水のブリッジの3特性曲線。0での液体水のブリッジのための電流-電圧関係、5、10、15ミリメートル離間距離がプロットされている。に液体ブリッジが形成されないであろう下回る下限のしきい値（左下の挿入図写真参照）、およびブリッジが不安定である上に上限しきい値（挿入写真1-4）は、安定性の領域を結合した​​。いくつかの測定可能な拡張機能（ すなわち ≥5ミリメートル）で最も橋梁については、総消費電力は、10〜20ワットの間にある。上限しきい値を超えた橋の破壊は、多くの場合、通常のoperatから進行してイベントのシーケンスに従いますイオン（挿入図1）、（挿入図4）破裂、最後に（挿入図3）たるみ、（挿入図2）を漏れて、とに。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-4
図4体積膨張二つの容器の全体の液面が投影されたバイナリフリンジパターンを用いて印加された電場に応答して上昇することが分かる。水で満たされた二つのテフロンビーカーは、二つの異なる印加電圧a）は 0 40kVおよびb）の 15 15kVで投影された縞パターンで撮像する。投影された干渉縞（ パネルc）の変化をろ過フーリエ変換縞変調周波数の変化に変換するための変換を使用してIDEA 33ソフトウェアを用いて分析され相対的な高さの上昇。検出されたシフトの不均一性が原因離散コサイン変換に投影フリンジや工芸品の低空間周波数に起因している基づいて位相アンラッピング方法を変換します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-5
図5誘電泳動とエレクトロウェッ。高電位電場グリセロールの電気応答。二つの白金電極を0 kVの（a）は 、無水グリセロール中に浸漬し、19 kVの（b）は、液体が強く上方に駆動されるかを示す。ペラフィネの実験の変形例では持ち上げボリュームが完全にEHDグリセロールBRIDGをもたらすサブテンリザーバから削除されます二つの電極間に保持された電子の（c）。同様に、ロッド状電極の（d）の場合には接触線は、電極を上げる15kVでの（e）を適用して電極を前進さ強いによって生成された強化された湿潤性を示す円錐台（F）を形成するために上向きに液状体を引っ張りフィールド。スケールバーは5mmである。補足動画のS1（AC）とS2（DF）から取られた静止画。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-6
赤外線で可視化図6洲本効果。不均一な電場中のグリセロールの単一の容器の赤外画像シーケンスは単純なポイント·プレーン電極を使用して提供パネルに可視光に示されるシステムは、（a）。電源（19 kVのDC）は、T = 0秒において適用される。ローカル表面冷却は、点電極（T = 15秒）この局所冷却が表面全体に広がり、すぐには、最初は小さく、表面上に見えるようになるまでに約75秒を必要としながら、回転力を発生さ不均一性を開発の下に発生します。フレーム間の時間は15秒です。スケールバーは10mmである。補足ビデオS3からスティルス。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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、10mmの分離距離を有する垂直ブリッジシステムにおける図7プリイグニッション冷却上部テイラーコーンおよび垂直水のブリッジの低い液滴セットのu pは電圧ランプの間、クローズアップに示されている。画像は、長波長赤外にあり、面発光を表す。印加電圧が両方とも初期（a）のジェットの吐出直前に（e）の下に1-2℃の最低温度に達する増加すると画像の両方から液面の安定した冷却および伸び（ 広告 ） がある上側のテイラーコーンから。低い液滴が安定したEHD液体ブリッジは（g）に確立されると、発光が急速に上昇充電ジェットの前に反動が、急速に接触（EF）は、次の合流。温度低下は、光ファイバ·サーモプローブを用いて確認した。下固着滴は〜2℃以前に起因する動作に上限コーンよりも暖かいです。典型的には、高電圧容器をわずかに高い温度を達成する。補足ビデオS4（トップコーン）とS5（下滴）からスティルス。/ 51819 / 51819fig7highres.jpg "ターゲット=" _空白」をアップロード>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

figure-results-8
図8の点火から消火までの水平水ブリッジのサーモグラフィ画像を合成半ば波の代表的シリーズ（3.7から5.0程度）とするために示した水平液体ブリッジの運用段階を特徴付ける長波長（8.0から9.4μm）の赤外線画像水は、（a）点火、（b）の拡張、（c）の延長、（d）の安定化、（e）の分裂。この画像シーケンスにおいてブリッジは、システムへの電力を除去することによって消滅した。補足ビデオS6からスティルス。 見るにはこちらをクリックしてください。この図の拡大版。

figure-results-9
絶滅図点火からの垂直水ブリッジの9サーモグラフィ画像を長波長の赤外線の代表的な一連の水のために示した垂直液体架橋の運用段階を特徴づける（7.5〜9.0μm）の画像は、（a）点火、（b）の拡張、（c）に低減された電圧、（d）は 、リガンド形成、レイリー·プラトーの不安定性の影響下で滴に（e）の破局。経過時間をミリ秒で示されている。背景のコントラストは、液滴可視化を強化するために、最後のフレームで調整した。補足ビデオS7からスティルス。 大きい版を見るにはこちらをクリックしてください。この図のシオン。

figure-results-10
DMSOおよびグリセロールの水平ブリッジの図10サーモグラフィー画像。ジメチルスルホキシド（DMSO） の（a）、およびグリセロール（b）は中間波（3.7から5.0ミクロン）および長波長赤外線の複合ブリッジ発光（8.0から9.4 μm）で。補足動画のS8（DMSO）およびS9（グリセロール）からスティルス。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ディスカッション

安定かつ堅牢なEHD液体ブリッジの成功の形成は、特定の、シンプルでありながら重要な詳細に支払われるように注意が必要です。これは、（ 例えば 、1〜5μS/ cm）の溶液のイオン伝導度が実用限り低くすることが不可欠である。水質汚染が一定の極性液体（ 例えば 、グリセロール）のための導電率の増加につながることがあるので注意してください。表面汚染やアーク誘起焼けのないガラス器具のみ使用し、すべてが順調にガラス製品を注意深くすすぎに注目して洗浄す​​る。一般的には、実験を汚染する皮脂と塩を防止するためのあらゆる機器を取り扱う際は、必ず手袋を着用することをお勧めします。電極は、研究中の溶媒中で、数分間超音波処理されるべきであり、これらは、高電流値で30〜45分間、拡張されていないブリッジを実行して、「バーンイン」（ 例えば 3〜5 MA）の二次電極を減らすためであることをお勧めします反応。高純度（ 例えば 、> 99.9％）貴金属が電極材料として最も効果的と局所的な加熱を低減するように10 A / m 2のオーダーの低い電流密度を維持するために十分な表面積を有するべきである。

乏しい安定性を持っているか、それを起動することが困難な橋梁の場合、別の電流経路を可能にすることができる液体の無関係なプールが存在しないことを第一導です〜1μS/ cmのを確認することを推奨される。一般的に、すべての表面は、できるだけ乾燥して船と絶縁板の間に形成することができる薄膜に特別な注意を払うことをお勧めします。アーク放電が割り込み電力を発生し、電圧値を低下させる場合には、持続的なアーク放電がブリッジ安定性を低下させる、またはすべて一緒にブリッジ発火を防ぐことができ、被災地の「炭化」になりますように、電源を再適用します。電力が閾値電圧以上のシステムなしブリッジ形態に適用される場合、絶縁ガラス棒は番目に向かって上向きに液体を吸引するために使用することができ2隻間で電子接点（ 例えばビーカー噴出）。システムが不安定な方法で動作するように続けた場合は、機器をきれいにし、新鮮な液体で再起動してください。この失敗は、大規模な金属製の物体、ブリッジおよび/またはそれをサポートする電界を乱すことができ、静電荷、または強い空気の流れをサポートする材料として、周囲のインベントリを取得することをお勧めします。

実験システムは、簡単にほとんどの研究室で一般に入手可能な材料に適合するように修正される。液体容器は、ほぼすべての適合素材であることができ、特別な注意は、電気アークの場合の容器や液相の燃焼性に支払われるべきである。燃焼時に例え​​ばテフロンは、有害ガスを発生します。電極の形状、配置、及び材料はまた、所与のセットアップの制約に合うように変更することができる。フォイルから作られた典型的に平面電極が使用されるが、ワイヤはまた、電流密度の指針である限り使用することができ考慮される。印加電界は、純粋なDCすることができ、純粋なACまたはDCをACに付勢。すべてが20 Hzの間で、適度な電圧では20 kHzまでの応答周波数範囲を定義体（EWOD）に、エレクトロウェッティングに関する文献に記載された液体および誘電泳動（DEP）9のための周波数依存応答範囲内の液体のブリッジが生成されます。これらは明示的にテストされておらず、いくつかの労働者が50ヘルツ42であることが、AC垂直ブリッジの下限を報告しているが、より高い周波数範囲も橋を生成することができる。重力の向きにも簡単に限り、システムは、印加電界ことなく安定である自由液面を提供するために考案することができるように修正される。実験は、これらのブリッジは、液体ブリッジ内の力の微妙なバランスを維持し、重力の安定化作用への依存を持っていることを示した重心41がない状態で行われている。

ENT "> EHD液体ブリッジは、多くの自然科学用途のレパートリーに加えることができる新しいツールです。彼らは、外部から印加される電界とバルクと表面の力の相互作用の探索を可能にする。彼らは、新たな手段を検討する機会を開く異なる液体37を混合、化学反応速度論52を変更するステップと、プロトン輸送44,45、およびそのような状態から53生物学的システムの応答を調べる加えて、これらの橋はすでに新しいもたらしたあらゆる物理的に従属構造のない液体表面への直接アクセスを可能にする。分光液体の水における動態に関する情報28、新たなバルク特性が完全に新しいメソッドを介して、液-液相転移54を調べるために31をemergeが、電位にすることにより電気的に制御された状態のスイッチの存在ではないだけヒント。広範な産業応用EHDプロセス（ 例えば mで、これらの密接に同盟現象のさらなる研究の恩恵を受けることができる最も確か）26をエレクトロスピニングし、32,33の方法をエレクトロ。

開示事項

著者のモニカ・ロペス・サエンス博士とオリバー・シュレーア博士は、この記事で使用する機器を製造するIRCAM GmbHの従業員です。残りの著者は、競合する金銭的利益がないと宣言します。

謝辞

この作品はWetsus、持続可能な水技術（www.wetsus.nl）のための卓越した研究拠点のTTIW-協力の枠組みで実施した。 Wetsusはオランダ経済省、欧州連合地域開発基金、Fryslân州、レーワルデン市と「Samenwerkingsverband北オランダ」のEZ /コンパスプログラムによって資金を供給されている。著者らは、実りある議論とその財政支援のための研究テーマ「応用物理学の水」の参加者に感謝したい。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ホウケイ酸結晶化皿VWR216-0064
GL14およびGL8開口部を備えた二重壁丸底フラスコと6mm球形ジョイントポートLGSSP757102a最小2つの開口部を持つカスタムガラス製品、電極用1つ、ブリッジスパウト用1つ。
調整可能なプラットフォームルドルフ・グラウアーAGスイスボーイ 115
モーション トランスレーション ステージThorlabsMTS25/M-Z8E完全な電動ステージ、コントローラー、および電源
絶縁プレートは、故障なしで意図した電圧に抵抗するために適切である必要があります
Pt 電極アルファ-アエサル000261洗浄し、18.2 M&Omega で超音波処理します。
HVPSFUG GmbHHCP 350-6500065 kV DC at 5 mA 最大出力
光ファイバー温度プローブシステムOpSensOTG-F センサー/ XXX-XXX コントロールユニット読み出し速度 1 kHz、精度 0.01 K、プローブサイズ 120 μm
長波赤外線カメラIRCAM GmBHTaurus 110K L168 FPS 384 x 288 感度 < 30 mK
長波赤外線カメラFLIRFLIR 62030 FPS 640 x 480 ピクセル 感度 < 45 mK
デュアルバンド中波および長波赤外線カメラIRCAM GmBHGeinis 110k ML
デジタルカメラCanon550Dビデオフレームと静止画の両方に使用
三脚マンフロット475B/405
18.2 MΩ水Milli-Qの利点は明確なホウケイ酸のびんに分注した後平衡化するために24時間を許可する
メタノールは0.0050%未満の水で脱水した AnalaR NORMAPURVWR-BDH20856.296必要なまわりで乾燥させて下さい
合成のための無水グリセロールVWR - メルクMillipore8.18709.1000必要なまで乾燥させて下さい
ジメチルスルホキシド、ACSの等級VWR-BDHBDH1115-1LP必要になるまで乾いた状態に保ちます

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Formal Correction: Erratum: The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

An erratum was issued for The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids. Figure 3 was updated because it had an incorrect representation of the power used in an operating bridge.

Figure 3 has been updated from:

Floating water bridge, characteristic curves graph; current vs. voltage relationship; threshold analysis.
Figure 3. Characteristic curves for a liquid water bridge. The current-voltage relationship for liquid water bridges at 0, 5, 10, 15 mm separation distance is plotted. A lower threshold below which no liquid bridge will form (see inset photo at lower left), and an upper threshold above which bridges are unstable (inset photos 1-4) bound the region of stability. For most bridges with some measureable extension (i.e. ≥ 5 mm) the total power dissipation lies between 10 and 20 watts. The rupture of a bridge beyond the upper threshold will often follow a sequence of events progressing from normal operation (inset 1), to leaking (inset 2), sagging (inset 3), and finally rupture (inset 4).

to:

Floating water bridge graph with current vs. voltage, diagram showing threshold curves and stability images.
Figure 3. Characteristic curves for a liquid water bridge. The current-voltage relationship for liquid water bridges at 0, 5, 10, 15 mm separation distance is plotted. A lower threshold below which no liquid bridge will form (see inset photo at lower left), and an upper threshold above which bridges are unstable (inset photos 1-4) bound the region of stability.  Power dissipation is a tunable parameter where longer bridges have a more narrow tuning range than shorter bridges. The rupture of a bridge beyond the upper threshold will often follow a sequence of events progressing from normal operation (inset 1), to leaking (inset 2), sagging (inset 3), and finally rupture (inset 4).

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