電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

この方法は、狭いスペースで漏れがどれだけ効果的に輸送されるかなど、マイクロおよびナノ流体研究分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、イオン交換膜を使用して輸送経路が帯電する陽イオンと陰イオンが電気流体力学の流れを駆動することです。その手順を実演していただくのは、当研究室を卒業した群馬大学の矢野綾子助教と、当研究室の博士課程の二藤文香さんです。

まず、PTFE金型の両端にアクリル板をプラスチック接着剤で接着し、リザーバーにスリットを開けてバイアス電極を固定します。50ミリリットルのチューブに、シリコーンエラストマーベースを硬化剤に10対1の比率で混合します。その後、真空容器に液体PDMSをセットし、ロータリーポンプで脱気します。

真空容器からチューブを取り外します。次に、PDMSを40 x 50 x 24 mmの立方体のプラスチック容器に注ぎ、リザーバーの外形を成形し、リザーバーモールドをその中に置きます。液体PDMSの全身を80°Cのホットプレートで約4時間焼きます。

ベーク後、PDMSリザーバーを外側の容器のPTFEモールドから手で分離します。次に、外科用ナイフを使用して、リザーバーの中央にスリットを入れます。ピンセットを使用して、リザーバーの両端に金の薄膜でコーティングされたガラスプレートをバイアス電極として設定します。

次に、ハサミを使用して陰イオン交換膜を20 x 18ミリメートル四方の長方形にカットします。次に、膜の一方の端から3×5ポイントの5ミリメートル四方の長方形を切り取ります。次に、四角い流路を持つ固化したPDMSブロックを、外科用ナイフを使用して、3 x 6 x 4ポイントの5ミリメートル立方体に切断します。

外縁にスリットを入れ、長方形の切り欠き内のメンブレンに取り付けます。これに続いて、陰イオン交換膜をPDMS流路とPDMSリザーバーにピンセットでセットします。マイクロピペットを使用して、リザーバーに4ミリリットルの水酸化ナトリウム溶液を入れます。

直流電源を用いて、2点2ボルトの電位を順方向と逆方向にそれぞれ2時間ずつ直列に印加し、膜の導電率を向上させることで観察します。これに続いて、ピンセットで金の電極を引き出します。次に、マイクロピペットを使用して、リザーバーから溶液を取り出します。

ピンセットでリザーバーに新しい金電極をセットします。マイクロピペットを使用して、リザーバーに4ミリリットルの水酸化ナトリウム溶液を入れます。このとき、高速相補型金属酸化膜半導体カメラのフレームレートと露光時間をそれぞれ500フレーム/秒と1ミリ秒に設定します。

マイクロピペットの先端をチャネルの端に挿入して押したり引き出したりして、チャネルから気泡を取り除きます。次に、金バイアス電極に2ポイント2ボルトの電位を外部から印加します。ポテンショスタットを使用して電気的応答を同時に監視し、トレーサー粒子の挙動をコンピュータ上に記録します。

板に26×10mm四方の表面を持つ金バイアス電極を、前述の手順と同様の手順で形成します。高周波スパッタリングを使用して、アルゴンプラズマに曝露したクロムでガラス表面を75ワットで2分間コーティングし、75ワットで5分間金の薄膜を堆積させます。はんだごてを使用して、電極の端にリード線をはんだ付けします。

大きなシリコーンゴムシートから、外科用ナイフを使用して、2つのリザーバーの間に配置された1つずつ1ミリメートルの立方体の流れチャネルで作られた2つのチャンバーを切り取ります。次に、カチオン交換膜をサージカルナイフを使用して20×30ミリメートルの正方形に切り取ります。100ワットを印加することにより、各部品を純水で15分間超音波処理します。

ピンセットを使用してチャンバー間に陽イオン交換膜を挿入し、チャンバーと陽イオン交換膜のスタックをガラス板で押してシールします。シリンジを使用して、事前に調製したTris-EDTAポリスチレン粒子とTris-EDTA塩化カリウム溶液をそれぞれ下部チャンバーと上部チャンバーに注入します。次に、実験装置を倒立顕微鏡のステージにセットします。

顕微鏡を高速相補型金属酸化物半導体カメラに接続し、粒子の運動の軌跡をモニターし、観察データをコンピューターに記録します。最後に、関数発生器を電源として使用して、2つの電極間に6秒あたり2ボルトの電位差を印加します。ここでは、イオン輸送経路の整流とチャネル内の液体の流れを誘発する高濃度の陽イオンに起因するEHDフロー生成の代表的な結果を示します。

PIV分析では、2点2ボルトの折衷的な電位が印加されたとき、トレーサー粒子の速度が急速にピーク値まで増加したことが示されました。その後、速度は低下し、ゼロに収束しました。ここには、電離電流条件下で電気的に分極された溶液で生成されるEHDの流れの代表的な結果が示されています。

EHD流れの速度応答は、2ボルトが印加されたときに電界に応答するトレーサー粒子を追跡することによって分析されました。粒子はすぐに逆方向に転位し、短い時間応答の後、流れは前進方向に変化し、電位がオフになるまで速度は安定しました。チャネル内のナトリウムイオンによって引きずられるEHDの流れは、陰イオン交換膜内の水酸化物イオンの輸送によって引き起こされます。

カチオン電流条件下で誘起されるEHD流では、カリウムイオンがカチオン交換膜を貫通してカチオン優位条件を引き起こし、その結果、カチオン電流に沿ってEHD流が誘導されます。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば、2時間で完了できます。金電極とエレクトライド溶液が安定するのを待つ時間の両方を考慮に入れることに注意してください。

この手順を試行する際、electrideソリューションの組み込みにはかなりの時間がかかることを覚えておくことが重要です。この手順に従う場合、電気流体力学的な流れを駆動するために、イオン電流条件でエレクトロニュートラル状態を緩和する必要があります。開発後、この技術は、マイクロおよびナノ流体ファノマーの分野の研究者が、さまざまなタイプの漏れにおける新しいフロー制御方法を探求する道を開きました。

このビデオを見れば、帯電したイオン電流によって誘発される電気流体力学的な流れの作り方を十分に理解できるはずです。高濃度の水酸化ナトリウムでの作業は非常に危険である可能性があるため、この手順を実行するときは、安全メガネ、手袋、白衣の着用などの予防策を常に講じる必要があることを忘れないでください。