Name: 電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-09-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 学ぶ電気流体力学の発生と制御法。イオン交換膜を用いて電解質水溶液中で一方向性の流れを生成し、マイクロ・ナノ流体デバイスの新たな流体制御技術の基礎を確立する。

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著者の謝辞があります。

1. EHD 流れ整流イオン輸送
<ol><li>イオン輸送経路を是正するためにフロー チャネル デバイスの開発
	<ol>
<li>貯水池の PTFE の型を行います。<ol>
<li>フライス盤を使用してポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) ブロックから 10 mm3型 x 30 x 13 をカット (図 2参照)。また、カスタムメイドの製品を購入します。</li>
			<li>バイアス電極を解決する貯留層にスリットを作るプラスチック接着剤で PTFE 金型の両端 1 mm3 x 18 x 15 のアクリル板を接着します。これらの部品は、厚板から切り出しているまたは購入できます。</li>
			<li>クリアな観察の平面サーフェスにプラ用接着剤、PTFE 金型の上部と下部の表面 1 mm3 x 30 x 13 のアクリル板を接着します。</li>
		</ol>
</li>
		<li>50 mL のチューブで 10:1 の比率でシリコーンのエラストマー ベースと硬化剤を混合し、チューブを手で振る。</li>
		<li>真空容器内液体の PDMS を解決し、ロータリー ポンプを使用してガス抜き。</li>
		<li>容器からチューブを取り外します。24 mm3プラスチック容器貯留層の外側の形を成形し、貯水池金型 x 50 x 40 注ぎ、PDMS (1.1.1 手順参照) それで。</li>
		<li>ホット プレートで約 4 時間の 80 ° C の液体 PDMS の全身を焼きます。</li>
		<li>焼く後、PTFE の型と外側の容器から PDMS 貯水池を手で分離します。手術用のナイフを使用して、貯水池の中心を渡ってスリットを作る。これは、ピンセットを使用して、(手順 1.1.16 で準備) 陰イオン交換膜の端を配置する使用されます。 注: PDMS 貯水池は満水電解質溶液とその後、図 2に示すように。</li>
		<li>18 mm 端で正方形、直径 18 mm の円形と (特別注文製) ガラス板を取得します。</li>
		<li>アセトン、エタノールと 15 分間超音波浴 (順番) 純粋な水でそれらを浸すことによってガラス板を洗います。</li>
		<li>エアガンと離れて任意の残留液体を爆破または約 473 K で 5 分間ホット プレートとガラス板を熱</li>
		<li>高周波スパッタ法を使用して、Cr や 75 W で 1 分の Ar プラズマにさらされる Ti でガラス表面をコート、75 W、約 100 の太さを設定で 5 分 Au 薄膜を連続して、入金 nm。 注: ターゲット金属とガラス面をコーティングする前に 1 x 10− 2ペンシルバニア圧力減少まで分子拡散ポンプとロータリー ポンプ避難した真空チャンバー内で設定されたサンプル</li>
		<li>はんだごてを使って Au 電極表面上のリードをはんだ付けします。 注: Au 電極の形状が正方形とヘリカル ワイヤ、イオン電流を生成するのに十分な大きさの表面積を維持することによって置き換えられる可能性。</li>
		<li>ピンセット、貯水池の両端 Au 薄膜をコーティングしたガラス板を設定します。バイアス電極です。</li>
		<li>20 × 18 mm2の長方形の形に陰イオン交換膜をはさみを使ってカットします。13 mm 幅、高さ 10 mm の表面積は、液体にさらされます。ここでは、カッターやメスも使えます膜をカットします。</li>
		<li>膜の一方の端から 3 × 5.5 mm2の長方形の部分をハサミでカットします。 注: 陰イオン交換膜の膜厚は 220 μ m です。膜は、はさみやカッターで簡単に切る。膜の端部分的、商工会議所のスリットで固定されています。</li>
		<li>膜を貫通する流路を作成する手順 1.1.4 1.1.5 と同じように 1 x 1 mm2の断面のステンレス棒と PDMS ブロックを固めます。建設を一晩を残して、PDMS ブロックからステンレスの棒を引き出します。</li>
		<li>カット、PDMS 4.5 x 6 x 3 に正方形流路にブロック mm 部分 (図 2を参照) を使用して手術用のナイフ。外側のエッジに沿ってスリットを作るし、矩形切り欠き内膜にアタッチします。 注: チャネルの上面設定して水平方向に粒子の明確な観察のため、フロー チャネル経由で透明な壁。</li>
	</ol></li>
	<li>ソリューションおよび前処理実験のための準備
	<ol>
<li>原液を希釈して濃度 1 × 10− 11 × 10− 2、および 1 x 10−3 mol/L の水酸化ナトリウム水溶液を準備します。</li>
		<li>NaOH 溶液の濃度を 4.2 x 10−3 vol % に設定すると、手順 1.2.1 で準備の各直径平均 2.93 μ m のポリスチレン粒子の分散を作る。 注: トレーサー粒子のサイズは、可観測性を改善するために適切に変更可能性があります。</li>
		<li>3 × 5.5 mm2 2 スリット入り 20 × 18 mm2の書式設定された陰イオン交換膜を ultrasonicate x 100 ワットの電力で純粋な水の 10 分の</li>
		<li>ピンセット、PDMS 貯水池に PDMS 流路に陰イオン交換膜を設定します。4 ml のピペットを使用して NaOH 溶液のタンクを埋めます。 注: 膜表面と流れチャネルは、ソリューション、ソリューションに公開される膜表面が少なくとも 100 倍に流路の断面も没頭しています。</li>
		<li>2.2 V の電位を適用するには、観察する前に膜の伝導性を改善するためにシリーズでは、2 h の前後方向に直流電源を使用します。</li>
		<li>ピンセットで Au 電極を引き出します。マイクロ ピペットを使用して貯水池からソリューションを削除します。</li>
		<li>ピンセットで貯水池に新しい Au 電極を設定します。4 ml の NaOH 溶液をマイクロ ピペットを使用しての貯水池を埋めます。解決の平衡観測を開始します。 注: 自然対流が落ち着くまで、トレーサー粒子の挙動を観察することによって判断されることを待っている時間は数分かかることがあります。</li>
	</ol></li>
	<li>実験のセットアップと測定システム
	<ol>
<li>フレーム レートと高速相補的金属酸化膜半導体 (CMOS) カメラの露光時間を設定し 500 fps、1 ms、それぞれ。 注:図 1のように、高速の CMOS カメラに接続されている顕微鏡のステージ上は実験装置を設定粒子の運動を記録することとします。ビューは、100 倍レンズとモニターで 15 に拡大されます。</li>
		<li>チャネルからチャネル ・ エンドをプッシュまたは電気潜在性を適用する前に、それらをプルにピペットの先端を挿入することによって任意の泡を削除します。</li>
		<li>外部電極バイアスに 2.2 V の電位を適用します。同時にデジタル マルチメータで、ポテンシオスタットまたは DC 電源を使用して電気的応答を監視します。 注: 電圧値は、ソリューションに O2 H2泡を生成する水の電気分解を回避上限に決定されます。</li>
		<li>コンピューターのトレーサー粒子の挙動を記録します。</li>
		<li>イオンの濃度勾配が EHD 流れ38,39でトリガーされることを確認するため電極プローブし、デジタルマルチメータを使用して、流路の両端の電位差を測定します。</li>
		<li>チャネルの中心にデカルトの座標系の原点を決定します。 注: x- 軸流路とyの長手方向に沿っては - とz-軸は、チャネルの断面の水平および垂直方向それぞれ、図 2に示します。液体フロー xに沿って可視化することにより、透明 PDMS チャネル-軸。ビューはzでxy平面に焦点を当てた焦点深度を制御することにより 0 を =。流量データは入口とチャネルの出口のすぐ近くを除いてテスト セクションで、 xの独立しており、観測点は、原点から下流約 0.75 mm に設定されますそのx = 0.75、 y = 0、z = 0 mm。</li>
		<li>1 回の測定後 (15 s)、ソリューションを平衡となるまで 20 分間のリードを持つ互いにそれらを接続して電極を短絡します。</li>
		<li>次に、ソリューションの全体を (例えば、10 mL のサンプル ボトル) 別の容器に移動し、マイクロ ピペットでかき混ぜます。</li>
		<li>実験を繰り返し実行するときにマイクロ ピペットを使用して再度チャンバーに攪拌した溶液を注ぐ。 注: 観測後、EHD 流動速度が粒子画像流速測定法 (PIV) 法39粒子の変位をトレースし、速度を数値的に評価する適切なソフトウェアを使用して行うことができますを使用して評価されます。PIV 解析が広く使用されている、ソフトウェアおよび使用しているオペレーティング システムに依存する計算の手順ここで PIV メソッドとそれらを使用する方法の詳細な説明は省略します。</li>
	</ol></li>
</ol>2. 陽イオン誘起 EHD 流れの観察
<ol><li>
実験装置の開発
	<ol>
<li>以前 1.1.7 1.1.5 - の手順で説明したような手順に従って底ガラス板上に 26 × 10 mm2表面を持つバイアス電極を形成します。</li>
		<li>高周波スパッタ法を使用して、Cr や 75 W で 2 分間 Ar プラズマにさらされる Ti でガラス表面をコートし、w. 75 で 5 分 Au 薄膜を入金 注: 電極のこの形状は、高い狭いチャネル領域に電場を集中するために決定されます。10 × 10 mm2の領域を持つチャネルの断面に、液体にさらされている電極表面の比率は 100: 1;この比率は、大量16チャネルの電位をドロップに十分であると予測されます。</li>
		<li>はんだごてを用いた電極の端にリード線をはんだ付けします。</li>
		<li>2 室をカット大きなシリコーン ゴム シートから手術用のナイフを使用して、2 つ 10 x 10 x 1 mm3貯水池にはさまれた各 1 mm3流路 x 1 x 1 (図 3参照)。これらの部品は、PDMS に置き換えられます可能性があります。</li>
		<li>陽イオン交換膜 127 μ m の平均厚さにカット 20 × 30 mm カッターまたは手術用のナイフを使用して図 3に示すように。</li>
		<li>100 を適用することによって 15 分の純粋な水の各部分を ultrasonicate w.</li>
		<li>図 3に示すように、ピンセットを使用して部屋の間に陽イオン交換膜を挿入します。これは濃度の異なる 2 電解質溶液が分離されます。</li>
		<li>押しながらチャンバーとディメン ジョンが 26 mm 幅で、長さ 38 mm ガラス板を有する陽イオン交換膜のスタックをシールします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
溶液の調製
	<ol>
<li>1 x 10− 2 mol/L トリス 1.01 μ m の平均直径のポリスチレン粒子の分散 (ヒドロキシメチル) アミノメタン エチレンジアミン四酢酸 (EDTA-トリス) バッファー溶液、1 x 10− 2 に容積比を調整する場所を準備します。vol %。</li>
		<li>1 mol/L 塩化カリウムとトリス EDTA の 1 × 10− 2 mol/L の混合物を準備します。</li>
		<li>上下両院にトリス-EDTA/ポリスチレン粒子とトリス-EDTA/KCl ソリューションをそれぞれ注入、注射針を介して挿入の部屋側の壁から。 注: 各チャンバーに注入溶液の量は、約 210 μ L です。</li>
		<li>上下の層のイオン濃度差をリラックス イオンの拡散の結果としてソリューションを平衡となるまで約 18 時間を待ちます。 注: 拡散プロセスの K 上のソリューションで+と膜の H+が期待されて膜を貫通する最初に、および Cl−はそれらをたどるとみられます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
実験のセットアップと測定システム
	<ol>
<li>手で、図 3に示すように、倒立顕微鏡のステージ上ステップ 2.1 で作成した実験装置を設定します。粒子の運動の軌跡を監視し、コンピューター上の観測データを記録する高速 CMOS カメラ顕微鏡に接続します。</li>
		<li>6 の 2 V の電位差を適用電源として関数発生器を使用して、2 つの電極間の s。</li>
		<li>EHD 流れがイオン輸送によって引き起こされることを確認するために、計40を使用してイオン電流を同時に測定します。</li>
		<li>粒子追跡流速計測法 (PTV) 法39による粒子の記録された軌跡を分析します。 注: 観測後、EHD 流動速度は粒子の変位をトレースし、速度を数値的に評価する適切なソフトウェアを使用して可能である PTV 法による評価されます。PTV 解析が広く使用されている、ソフトウェアおよび使用しているオペレーティング システムに依存する計算の手順ここで PTV メソッドとそれらを使用する方法の詳細な説明は省略します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Doi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonequilibrium+ionic+response+of+biased+mechanically+controllable+break+junction+%28MCBJ%29+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).</li>
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著者が明らかに何もありません。

本研究の目的は、空間分布と輸送数値面で水溶液の陰イオンと陽イオンを分離されました。陰イオン交換膜を使用して、陰イオンと陽イオンの輸送を膜で、それぞれ膜を貫通する流路修正でした。また、陽イオン交換膜分離高低濃度溶液はかなり待機時間後電気分極のソリューションを生成する働いた。その結果、イオン電流の整流はイオン ドラッグ EHD 流れを誘導するために、電圧を減らすことに成功しました。
紹介した方法は水溶液万人非極性ソリューションに電荷を注入する kV の高電圧を必要とする従来の方法と比較して電圧が低いアプリケーションにあります。EHD 流れが非極性のソリューションと同様に、水溶液で有効であることが明らかになった。
しかし、現在の方法は、水の電気分解の理想的な可能性は 1.23 V にする知られている一定のイオン電流を維持するために水の電気分解に依存します。したがって、O2と液体の性質を変更 H2泡の生成を避けるために電圧に制限があります。この制限を克服するために電極と電解液の材料は溶液中の...

最近では、液体フロー制御技術は、マイクロ ・ ナノ デバイス1,2,3,4,5,のアプリケーションの関心のため注目をされています。6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. 水溶液とイオン液体など、極のソリューションではイオンと電気的荷電粒子通常液体流れの電気料金についてもたらします。このような偏波の粒子の輸送分子操作6,10、11,13,14などの様々 なアプリケーションの拡張を提供します。,15,16,17、イオン ダイオード デバイス12,18、および液体の流れは、19,20,21,22を制御します。Stuetzer1,2イオン ドラッグ ポンプの発明以来、EHD 流れは液体フロー制御システムの該当する現象をされています。メルヒャーとテイラーの3は、EHD 流れの理論的枠組みが見直されているし、いくつかの優れた実験を示したも重要な記事を掲載しました。サヴィル4と彼の同僚の23,24 EHD 液体技術の次の展開に貢献。しかし、数十 kV の1,2を分極しなさいそれらに油などの非極性ソリューションで電荷を注入する液体に適用されるため、電気の力によって駆動される液体の流れを誘導するいくつかの制限があった,3. 1.23 V よりも高い電位による水の電気分解のソリューションの特性を変更して、ソリューションが不安定になりますので、これは水溶液の欠点。
マイクロ ・ (4) ナノフルイディック チャネル チャネルの壁の表面電荷を引き起こす外部電界25,26,27 電気浸透流 (プロット) を効果的に誘発するポリマー濃度 ,,2829。プロットを使用して、いくつかの液体ポンプ技術は、水溶液、電気電圧30,31,32を減らすことで適用されています。その一方で、で張らはマイクロ ・ ナノ表面領域なる液体の量をより優位に生成されているに制限されます。さらに、壁の表面に非常に近い高濃度のイオンのトランスポートに応じてなど電気二重層ですべり境界のみ発生圧力勾配7,を作るのに十分ではないかもしれない液体の流れ8,22,26,27。 大丈夫、チャンネルの寸法や塩濃度などのチューニングは EOF のアプリケーションに必要です。対照的に、EHD 流れ力が溶剤を低下を避けるためにアプリケーション電圧が可能になる場合、固まりおよびエネルギーを輸送できるよう体で駆動。最近では、一部の研究者は、低電圧33,34,35,36EHD 流れのアプリケーションを示唆しています。これらの技術はまだ実装されていないが、フロンティアは拡大が見込まれます。
以前の研究で水溶液37,38,39,40の EHD 流れに関する実験的・理論的作業を実施しました。それは、イオン輸送経路の整流は電界下電気体力を引き起こす電気的荷電のソリューションを生成する有効であるはずだった。イオン交換膜と膜を交差流路を用いたイオン電流を是正することができました。流れに集中している陽イオン、陰イオン交換膜を適用すると、チャネル、溶剤をドラッグし、EHD 流れ37,38,39を開発しました。イオンの移動度の違い陽イオンと陰イオンの電流を分離するとき重要な要因であった。イオン交換膜は、イオン選択性によりモビリティを調節するため効果的に働いた。イオン輸送現象もイオン電流密度電界41によって影響の観点から検討しました。これらの研究は、単一分子、すなわち、マイクロと、モーションの影響熱的ゆらぎ11,16,17ナノ粒子開発の操作テクニックに実りされています。.で張らと EHD 流れは、圧力勾配と同様に正確なフロー制御方法のさまざまなを展開する予定です。
本研究では水溶液中の EHD 流れにドライブする 2 つの方法を紹介します。まず、作動流体の NaOH 溶液を使用して、EHD 流れ37,38,39を駆動します。陰イオン交換膜は、液体を 2 つの部分に分割します。1 × 1 mm の断面積と長さ 3 mm のポリジメチルシロキサン (PDMS) の流路は、膜を貫通します。2.2 V の電位を適用すると、OH−イオン、H+、ナ+の電気泳動の輸送は、電界に沿って誘導されます。陰イオン交換膜と流路は効果的に陰イオンが膜を通過支配的、両方の種は通常反対の方向で移動が流路の陽イオンを集中、イオン輸送経路を分離する作業します。電気的中性を維持します。したがって、このような状態では、液体の流れの原動力は発生しません。この構造は、1 mm 程度の流れの速度に達すると EHD 流動を生成することが重要/チャネルのため、外部の電場によって加速された陽イオンを高濃度ドラッグ溶媒分子。EHD 流れの観察を行い、図 1に示すように、顕微鏡と高速カメラを使用して記録します。第二に、イオン交換膜で区切られた 2 つの液相の濃度差によって生成される電気分極状態イオン交換膜40を横断します。本研究では、液体中の物体力に適用することが望ましい状況が発生イオン分布と対応する電位の平衡にかなり待っている時間の重要性を見つけます。イオン交換膜を横断、弱く偏光状態が実現されます。このような状態で外部から電界誘導方向イオン輸送液体に体の力を生成して溶媒にイオンから運動量輸送が EHD 流れを開発してその結果。
前述のように、現在のデバイス成功数ボルトの電圧差を大幅に減少し、このメソッドは、水溶液、使用できますが、従来の電荷注入法必要数十 kV と非水溶液への適用に限定されます。

<table><tbody><tr><td>シルガード184</td><td>ダウコーニング株式会社</td><td>3097366-0516、3097358-1004</td><td>PDMS</td></tr><tr><td>アセトン</td><td>和光純薬工業株式会社</td><td>012-00343</td><td></td></tr><tr><td>エタノール</td><td>和光純薬工業(株)</td><td>054-00461</td><td></td></tr><tr><td>0.1 mol/L 水酸化ナトリウム溶液</td><td>和光純薬工業(株)</td><td>196-02195</td><td></td></tr><tr><td>塩化カリウム</td><td>和光純薬工業(株)</td><td>163-03545</td><td></td></tr><tr><td>Tris-EDTAバッファー100倍濃縮物</td><td>Sigma-Aldrich Co., LLC.</td><td>T9285-10014L</td><td></td></tr><tr><td>2.93 &mu;m ポリスチレン粒子</td><td>Merck KGaA</td><td>L300 Rouge</td><td>Tracer 粒子</td></tr><tr><td>1.01 &mu;m ポリスチレン粒子</td><td>メルク KGaA</td><td>K100(23716)</td><td>トレーサー粒子</td></tr><tr><td>陰イオン交換膜</td><td>アストム</td><td>ネオセプタ AHA</td><td></td></tr><tr><td>ゴールド (au)</td><td>古内化学工業(株)</td><td>AUT-13301X</td><td>スパッタリングターゲットメタル</td></tr><tr><td>チタン</td><td>古内化学工業(株)</td><td>TIT-72301X</td><td>スパッタリングターゲット金属</td></tr><tr><td>クロム</td><td>古内化学(株)</td><td>CRT-24301X</td><td>スパッタリングターゲットメタル</td></tr><tr><td>高速CMOSカメラ</td><td>キーエンス</td><td>VW-600M</td><td></td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>キーエンス社製</td><td>VW-9000</td><td></td></tr><tr><td>データロガー</td><td>キーエンス社</td><td>NR-500、NR-HA08</td><td></td></tr><tr><td>レーザー変位計</td><td>キーエンス(株)</td><td>LK-G5000, LK-H008W</td><td></td></tr><tr><td>PIV・PTVソフトウェア</td><td>DITECT Co. Ltd.</td><td>フラナイザー 2D</td><td></td></tr><tr><td>ポテンショスタット</td><td>AMTEK Inc.&nbsp;</td><td>VersaSTAT4</td><td></td></tr><tr><td>倒立顕微鏡</td><td>オリンパス株式会社</td><td>IX73</td><td></td></tr><tr><td>高速CMOSカメラ</td><td>Andor Technology Ltd.</td><td>Zyla 5.5 sCMOS</td><td></td></tr><tr><td>ファンクションジェネレータ</td><td>NFコーポレーション&nbsp;</td><td></td><td></td>WF1945B</tr><tr><td>ファンクションジェネレータ</td><td>エヌ・エフ・ピー株式会社&nbsp;</td><td>WF1973</td><td></td></tr><tr><td>超音波洗浄機</td><td>株式会社アズワン</td><td></td><td></td>AS22GTU</tr><tr><td>ロータリーポンプ</td><td>アルバック(株)</td><td>G-100S</td><td>脱気液PDMS</td></tr><tr><td>ロータリーポンプ</td><td>アルバック(株)</td><td>GLD-201A</td><td>スパッタリング&nbsp;</td></tr><tr><td>分子拡散ポンプ</td><td>アルバック(株)</td><td>VPC-400</td><td>スパッタリング</td></tr></tbody></table>

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

電気流体力学的 (EHD) を運転するには、流れ、水溶液中で陽イオンと陰イオンの輸送経路の分離が不可欠である向電気体力が液体のイオンの動きによって誘発される必要があるため。その一方で、肯定的なおよび負電荷は互いを引き付ける、電気的中性は平衡条件でどこでも維持されます。さらに、印加電圧の増加は不安定になるソリューションを引き起こす水の電気分解を避けるために抑制します。通常、EHD 流れを誘起すること非水溶液中で数十 kV などの非常に高い電圧を適用することによって電荷を注入します。本研究では 2 液相、イオン交換膜で区切られている水溶液中における電荷分離による EHD フローを生成する 2 つの方法を紹介します。膜におけるイオン移動度の差は、膜の両側でイオン濃度分極が誘起されます。本研究では、2 つの方法を示します。(を介して選択的に膜の遅い種の輸送なる流路で支配的、イオン交換膜を貫通する流路 i) イオン濃度勾配の緩和が発生します。これは液体の EHD 流動を生成する原動力です。イオン交換膜を通るイオンの拡散のための (ii) 長い待機時間は、外部から電界を加えることによってイオン ドラッグ流れの生成を可能。 にします。1 x 1 mm2の断面の流路に集中しているイオンは、電気泳動輸送経路に対応する液体の流れの方向を決定します。両方の方法で、EHD 流れの生成に必要な電気の電圧差は 2 V の整流イオン輸送経路近くまで大幅に短縮します。

図 4(ビデオ図) は、プロトコルの手順 1 によるとイオン輸送経路のチャネルにおける流動誘起高濃度イオン整流から生じる EHD 流れ世代の代表的な結果を示す.図 5は、20 のデータがチャネルの中心に近いポイント PIV 解析の結果を示しています (y = z = 0 mm) を平均しました。1 x 10− 1 mol/L 水酸化ナトリウムtに適用されたとき 2.2 V の電気潜在的なソリューションの場合 = 5 s、ピーク値を迅速に増加するトレーサー粒子の速度。その後、速度が減少し、0 に収束します。ピーク速度近く 2 mm/s に達した。これは、陰イオン交換膜と 1 × 10− 1 mol/L NaOH 溶液を用いて EHD 流れの典型的な結果です。
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イオン輸送経路の整流は、一方向イオン ドラッグ電気流体力学流を生成する効果的な方法です。流路内には、イオン交換膜を設定することにより電気的偏光状態が生成され適用する外部電場に駆動される液体の流れを引き起こします。

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

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。底面ガラス板に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。

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電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

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