Name: 생성 및 제어 충돌기의 수성 전해질 솔루션에 흐르는 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-09-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 학습하세요 이온교환막을 이용한 전기수력학적 흐름 생성 방법을 통해 미세유체 시스템에서 이온 수송을 제어하는 기술을. Gunma 대학 연구진이 개발한 이 실험은 나노 유체역학 연구에 새로운 가능성을 제공합니다.

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저자 아무 승인 있다.

1. EHD 흐름 정류 이온 수송에 의해 유도 된
<ol><li>이온 수송 경로 조정 하는 흐름 채널 장치의 개발
	<ol>
<li>저수지의 PTFE 금형을 만들기:<ol>
<li>밀링 기계를 사용 하 여 소계 (PTFE) 블록에서 10 m m3 형 x 30 x 13를 잘라 ( 그림 2참조). 또는 맞춤 제품 구매.</li>
			<li>아크릴 플레이트 바이어스 전극 정착 저수지에서 틈새를 만들 것입니다 플라스틱 접착제, PTFE 금형의 양쪽 끝에서 1 m m3 x 18 x 15를 준수 합니다. 이 부분 큰 접시에서 잘라 하거나 구입할 수 있습니다.</li>
			<li>명확한 관측을 위한 평면 서피스를 만들기 위해 플라스틱 접착제 PTFE 금형의 위쪽 및 아래쪽 표면에서 1 m m3 x 30 x 13의 아크릴 플레이트를 준수 합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>50 mL 튜브에 10: 1의 비율에는 실리콘 탄성 중합체 기반과 경화 에이전트를 혼합 하 고 튜브를 손으로 흔들어.</li>
		<li>진공 용기에 액체 PDMS를 정착 하 고 로터리 펌프를 사용 하 여 드.</li>
		<li>선박에서 튜브를 제거 합니다. 저수지의 외부 모양 몰드를 저수지 형 24 m m3 플라스틱 용기 x 50 x 40에는 PDMS를 붓고 (단계 1.1.1 참조) 그것에.</li>
		<li>구워 약 4 h 조를 위한 80 ° C에서 열판에 액체 PDMS의 전신.</li>
		<li>빵, 후 손으로 PTFE 형과 외부 선박에서 PDMS 저수지를 격리 합니다. 수술 칼을 사용 하 여 저수지의 센터에서 슬릿을 확인 합니다. 이 족집게를 사용 하 여 (단계 1.1.16에서에서 준비) 하는 음이온 교환 막의 가장자리를 넣어 사용 됩니다. 참고: PDMS 저수지 가득 전해질 솔루션 후, 그림 2와 같이 합니다.</li>
		<li>18 m m 가장자리와 직경에서 또는 광장에서 18 m m의 원형 모양으로 유리 접시 (특별 주문에 의해 만들어진)를 얻을.</li>
		<li>아세톤, 에탄올, 그리고 15 분 동안 ultrasonication 목욕에 (순서 대로)에서 순수한 물에서 그들을 몸을 담글 하 여 유리 접시를 씻어.</li>
		<li>모든 잔여 액체는 공기 총으로 멀리 날 려 하거나 열 약 473 공화국에서 5 분 열판으로 유리 접시</li>
		<li>Cr 또는 Ti 75 W에서 1 분 동안 Ar 플라즈마에 노출 된 유리 표면을 무선 주파수 스퍼터 링을 사용 하 여, 및 연속적으로, 75 W, 두께 약 100 설정에서 Au 박막 5 분 입금 nm. 참고: 대상 금속 유리 표면 코팅 하기 전에 샘플 설정 된 철수 했습니다 로터리 펌프와 분자 확산 펌프는 압력 감소 될 때까지 1 x 10−2 실바를 진공 챔버에</li>
		<li>솔더는 납땜을 사용 하 여 Au 전극 표면에 리드. 참고: Au 전극의 모양은 사각형 및 나선형 와이어, 이온 전류를 생성 하기 위해 충분히 큰 표면 영역을 유지 하 여 대체 수 있습니다 가능성이.</li>
		<li>핀셋, 저수지의 양쪽 끝에 Au 얇은 필름으로 코팅 하는 유리 접시 설정 합니다. 이들은 바이어스 전극입니다.</li>
		<li>가 위를 사용 하 여 음이온 교환 막 20 x 18 m m2 의 사각형 모양으로 잘라. 13 m m 폭에서 및 높이 10 mm의 표면적을 액체에 노출 됩니다. 여기, 박스 커터 또는 수술 칼도 사용할 수 있습니다 잘라 막.</li>
		<li>가 위로 막의 한 가장자리에서 3 x 5.5 m m2 의 사각형 조각을 잘라. 참고: 음이온 교환 막의 두께 220 µ m. 막이 위 또는 상자 개봉으로 쉽게 절단 됩니다. 막의 가장자리는 챔버에서 슬릿과 부분적으로 고정 됩니다.</li>
		<li>1 x 1 m m2 횡단면의 스테인리스 막대와 PDMS 블록을 막 침투 흐름 채널을 만드는 단계-1.1.4, 1.1.5에서와 같은 방법에 응으십시오. 건설 하룻밤 두고 PDMS 블록에서 스테인리스 막대를 당겨.</li>
		<li>4.5 x 6 x 3 정사각형 흐름 채널 블록 mm ( 그림 2참조)를 사용 하 여 조각 된 PDMS를 잘라 수술 칼. 외부 가장자리를 따라 가늘고 길게 찢어진 곳을 확인 한 다음 직사각형 컷아웃 내 막에 부착. 참고: 채널의 상단 면에서 설정할 수 가로 입자의 명확한 관측은 흐름 채널을 통해 투명 한 벽 있다.</li>
	</ol></li>
	<li>솔루션 및 전처리 실험에 대 한 준비
	<ol>
<li>재고 솔루션을 희석 하 여 1 × 10− 1, 1 × 10−2및 1 x 10− 3 mol/L의 농도에서 NaOH 수성 솔루션을 준비 합니다.</li>
		<li>4.2 x 10− 3 vol %로 농도 설정 하 여 단계 1.2.1에서에서 준비 하는 NaOH 솔루션의 각 직경에서 평균 2.93 µ m의 폴리스 티 렌 입자의 분산을 확인 합니다. 참고: 추적 입자의 크기 observability를 개선 하기 위해 적절 하 게 변경할 수 있습니다.</li>
		<li>3 x 5.5 m m2 2의 슬릿와 20 x 18 m m2 의 서식이 지정 된 음이온 교환 막 ultrasonicate x 100 w.의 힘에서 순수한 물에서 10 분</li>
		<li>핀셋, PDMS 흐름 채널 음이온 교환 막 PDMS 저수지로 설정 합니다. 저수지를 micropipette를 사용 하 여 NaOH 솔루션의 4 mL에 채우십시오. 참고: 막 표면 및 흐름 채널 이상 흐름 채널의 횡단면 보다 큰 x 100을 막 표면 노출 솔루션에는 솔루션에 열 중.</li>
		<li>2.2 V의 전기 잠재력을 관찰 하기 전에 막의 전도도 개선 하기 위해 각 시리즈, 2 h에 대 한 앞뒤 방향으로 DC 전원 소스를 사용 하 여 적용 됩니다.</li>
		<li>핀셋으로 Au 전극을 당겨. 사용 하는 micropipette 저수지에서 솔루션을 제거 합니다.</li>
		<li>핀셋으로 저수지에서 새로운 Au 전극을 설정 합니다. 저수지를 micropipette를 사용 하 여 NaOH 솔루션의 4 mL에 채우십시오. 솔루션 equilibrated 관측을 시작 합니다. 참고: 그것은 자연 대류는 추적 입자의 행동을 관찰 하 여 판단 될 수 있는 아래로 침전 될 때까지 대기 시간의 몇 분 걸릴 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>실험 설정 및 측정 시스템
	<ol>
<li>프레임 속도 및 고속 보완 금속-산화물-반도체 (CMOS) 카메라의 노출 시간 설정 500 fps와 1 ms, 각각. 참고: 그림 1에서 보듯이 실험 장치 설정 됩니다 고속 CMOS 카메라에 연결 하는 현미경의 스테이지 입자 움직임을 기록. 보기는 100 X 렌즈와 함께 모니터에 15에서 확대 됩니다.</li>
		<li>밀거나 전기 잠재력을 적용 하기 전에, 그들을 밖으로 당겨 채널 끝에는 micropipette의 끝을 삽입 하 여 채널에서 모든 거품을 제거 합니다.</li>
		<li>외부는 Au 바이어스 전극 2.2 V의 전기 잠재력을 적용 됩니다. 동시에 디지털 멀티 미터와는 potentiostat 또는 DC 전원 공급 장치를 사용 하 여 전기 응답을 모니터링 합니다. 참고: 전압 값은 상한에 솔루션에 O2 와 H2 거품을 생성 하는 물 전기 분해를 방지 수 결정 됩니다.</li>
		<li>컴퓨터에 추적 입자의 동작을 기록 합니다.</li>
		<li>이온의 농도 기온 변화도는 EHD 흐름38,39트리거 것인지 Au 프로브 전극 및 디지털 멀티 미터를 사용 하 여 흐름 채널의 양쪽 끝 사이 전기 전위차를 측정 합니다.</li>
		<li>채널의 중앙에 직교 좌표 시스템의 원점을 결정 합니다. 참고: x-축이 흐름 채널, 그리고 y의 경도 방향을 따라-및 z-축이 채널의 횡단면에서 가로 및 세로 방향으로 각각 그림 2와 같이. 투명 한 PDMS 채널 수 x에 따라 시각을 액체 흐름-축. 보기 z 에서 xy 평면에 초점을 맞추고 초점의 깊이 제어 하 여 = 0. 흐름 데이터 x 입구와 출구는 채널의 근처를 제외 하 고 테스트 섹션에서의 독립적이 고 관찰 포인트는 원점에서 약 0.75 m m 하류에 설정 되도록 x 0.75, y = 0, 및 z = = 0 m m.</li>
		<li>단일 측정 후 (15 s)를 연결 하 여 서로 게 20 분에 대 한 리드와 함께 때까지 솔루션 equilibrated 전극 단락.</li>
		<li>다음, (예, 10ml 샘플 병) 다른 선박에 솔루션의 전체를 이동 하 고는 micropipette와 그것을 저 어.</li>
		<li>사용 하 여 다시는 micropipette 반복적으로 실험을 수행할 때 챔버로 냈다 솔루션을 붓는 다. 참고: 관찰, 후 EHD 흐름 속도는 입자 이미지 velocimetry (PIV) 방법39, 입자의 변위를 추적 하는 속도 숫자로 평가 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 할 수 있는 사용 하 여 계산 됩니다. PIV 방법 및 사용 방법에 대 한 자세한 내용은 PIV 분석에 널리 사용 되 고 있다 계산의 절차 소프트웨어 및 사용 중인 운영 체제에 따라 다릅니다 때문에 여기 생략 됩니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 양이온 유도 EHD 흐름의 관찰
<ol><li>
실험 장치 개발
	<ol>
<li>Au 비슷합니다 이전 단계 1.1.5-1.1.7에서에서 설명한 절차에 따라 아래 유리 접시에 26 x 10 m m2 표면으로 바이어스 전극을 형성 한다.</li>
		<li>Cr 또는 Ti 75 W에서 2 분 동안 Ar 플라즈마에 노출 된 유리 표면을 무선 주파수 스퍼터 링을 사용 하 여, 및 75 W.에서 Au 박막 5 분 입금 참고: 전극의이 모양은 매우 좁은 채널 지역에 전기 분야를 집중 하기 위하여 결정 됩니다. 전극 표면, 10 x 10 m m2 의 그 지역 채널의 횡단면을 액체에 노출의 비율 100: 1; 이 비율은 다량16채널에 전기 잠재력을 충분 한 것 전망 이다.</li>
		<li>납땜을 사용 하 여 전극의 가장자리에 리드 줄을 솔더.</li>
		<li>2 챔버를 잘라 큰 실리콘 고무 시트에서 각 1 m m3 흐름 채널 x 1 x 1의 수술 칼을 사용 하 여 두 10 x 10 x 1 m m3 저수지 사이 위치 ( 그림 3참조). 이러한 부품 PDMS 대체 될 수 있습니다.</li>
		<li>잘라 양이온 교환 막 127 µ m의 평균 두께 20 x 30 m m 상자 절단기 또는 수술 칼을 사용 하 여 그림 3과 같이.</li>
		<li>100을 적용 하 여 15 분에 대 한 순수한 물에 각 부분을 ultrasonicate W.</li>
		<li>그림 3에서 보듯이, 핀셋을 사용 하 여 챔버 사이 양이온 교환 막을 삽입 합니다. 이 다양 한 농도의 2 전해질 솔루션을 별도 것입니다.</li>
		<li>누르고 챔버와 유리 접시의 크기는 너비와 길이 38 m m 26 m m와 양이온 교환 막의 스택 인감.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
솔루션의 준비
	<ol>
<li>준비는 1 x 10−2 mol/L 트리 스에 1.01 µ m의 평균 직경의 폴리스 티 렌 입자의 분산 (hydroxymethyl) aminomethane ethylenediaminetetraacetic 산 (트리 스-EDTA) 버퍼 솔루션, 볼륨 비율 1 x 10−2에 조정 된다 vol %.</li>
		<li>KCl의 1 mol/L과 트리 스-EDTA의 1 x 10−2 mol/L의 혼합물을 준비 합니다.</li>
		<li>하단과 상단 챔버로 트리 스-EDTA/폴리스 티 렌 입자 그리고 트리 스-EDTA/KCl 솔루션을 각각 주사, 주사기 바늘을 통해 약 실의 측 벽에서 삽입. 참고: 각 챔버에 주입 하는 솔루션의 수량 약 210 µ L입니다.</li>
		<li>솔루션은 이온 농도 차이 상위 및 하위 레이어를 휴식 이온의 확산으로 인해 equilibrated 때까지 약 18 h에 대 한 기다립니다. 참고: 확산 과정에서 K+ 위 솔루션에서 및 H+ 막에 있는 것으로 예상 된다 침투 막 첫 번째, 그리고 Cl− 그들을 따를 것으로 예상 된다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
실험 설정 및 측정 시스템
	<ol>
<li>거꾸로 한 현미경의 스테이지의 손으로, 그림 3에서 보듯이, 단계 2.1에서에서 개발 하는 실험 장치를 설정 합니다. 현미경 입자 움직임의 궤적을 모니터링 하 고 컴퓨터의 관측 데이터를 기록 하는 고속 CMOS 카메라에 연결 합니다.</li>
		<li>2 V 6의 전기 전위차 적용 전원 소스로 함수 발생기를 사용 하 여 두 전극 사이 s.</li>
		<li>EHD 흐름 이온 수송에 의해 유도 된다 확인, 계40을 사용 하 여 이온 전류를 동시에 측정 합니다.</li>
		<li>Velocimetry (PTV) 방법39추적 입자에 의해 입자의 기록 된 궤적을 분석 합니다. 참고: 관찰, 후 EHD 흐름 속도 입자의 변위를 추적 하는 속도 숫자로 평가 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 가능한 PTV 메서드에 의해 평가 됩니다. PTV 분석 널리 사용 되 고 계산의 절차는 소프트웨어 및 사용 중인 운영 체제에 따라 달라 집니다 있기 때문에 PTV 방법 및 사용 방법에 대 한 자세한 내용은 여기 생략 됩니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

저자는 공개 없다.

이 연구의 목적은 양이온 및 음이온 공간 분포와 전송 번호 수성 해결책에서 분리 했다. 사용 하는 음이온 교환 막, 음이온과 양이온의 전송 수 조정 될 막 및 흐름 채널 침투 막, 각각. 또는, 높고 낮은 농도 솔루션 분리는 양이온 교환 막 상당한 대기 시간 후 전기 편광된 솔루션을 생성 했습니다. 그 결과, 정류 이온 전류 이온 끌고 EHD 흐름 유도 되는 전압을 감소 시키기에 성공 했다.
여기에 제시 된 방법 극 지 비 솔루션 전기 료를 주입 하는 kV의 높은 전압을 필요로 하는 기존의 방법에 비해 낮은 응용 프로그램 전압 수성 솔루션에 대 한 사용할 수 있습니다. 그것은 EHD 흐름은 극 지 비 솔루션 뿐만 아니라 수성 솔루션에 효과적을 명확히 했다.
그러나, 현재 메서드는 물 전기 분해의 이상적인 잠재력 1.23 V로 알려져 있다 지속적인 이온 전류를 유지 하기 위해 물 전기 분해에 따라 달라 집니다. 따라서, O...

최근, 액체 흐름 제어 기법 마이크로 및 nanofluidic 장치1,2,3,,45, 의 응용 프로그램에 대 한 관심 때문에 많은 관심을 받고 있다 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. 수성 솔루션 및 이온 액체, 같은 극 지 솔루션, 이온 및 전기 입자 보통가지고 액체 흐름에 전기 요금에 대 한. 단일 분자 조작6,10,11,,1314 등 다양 한 응용 프로그램의 확장을 제공 하는 이러한 편광된 입자의 전송 , 15 , 16 , 17, 이온 다이오드 장치12,18, 액체 흐름 제어19,20,,2122. EHD 흐름 Stuetzer1,2 발명 이온 드래그 펌프 액체 흐름 제어 시스템에 대 한 해당 현상이 되었습니다. 멜과 테일러3 EHD 흐름의 이론적 프레임 워크를 잘 검토 하 고 몇 가지 뛰어난 실험 또한 설명 되었다 있는 중요 한 문서를 출판. Saville4 와 그의 동료23,24 EHD 기술 액체에서의 다음 확장에 기여 했다. 그러나, 전기 힘에 의해 구동 하는 액체 흐름을 유도 하는 수십 kV 등, 그들에 게1,2 극에 극 지 비 솔루션에 전기 료를 주입 하는 액체에 적용 해야 하기 때문에 몇 가지 제한이 있었습니다. , 3. 이것은 수성 솔루션에 대 한 단점이 있기 때문에 전기 잠재력 1.23 V 보다 높은 의해 유도 된 물 전기 분해 솔루션의 특성을 변경 하 고 솔루션을 불안정 하 게.
마이크로 및 nanofluidic 채널에서 채널 벽의 표면 요금 적용된 외부 전기 분야25,26,27 아래 counterions electroosmotic 흐름 (EOFs)을 효과적으로 유도의 농도 발생 ,,2829. EOFs를 사용 하 여 액체 펌핑 기법 전기 전압30,,3132감소 수성 솔루션에 적용 되었습니다 했습니다. 다른 한편으로, EOFs 마이크로 및 nanospaces는 표면 액체 볼륨 보다 더 지배적 될 생성 제한 됩니다. 또한, 벽 표면 근처 매우 고 농도 이온의 수송에 따라 같이 전기 이중 층에서 슬립 경계만 하면 압력 기온 변화도7, 수 있도록 충분 하지 않을 수 있습니다 액체 흐름 8 , 22 , 26 , 27. 괜찮아, 채널 치수와 소금 농도 같은 튜닝은 EOF의 응용 프로그램에 필요한. 반면, EHD 흐름 몸 힘 경우 용 매를 저하 하지 않도록 응용 프로그램 전압 감소 될 수 있다 질량 및 에너지 수송 가능할 것에 의해 구동. 최근, 일부 연구 자들은 낮은 전압33,34,,3536와 EHD 흐름의 응용 프로그램을 제안 했다. 이러한 기술은 아직 구현 되지 않았습니다, 비록 국경 확장으로 예상 된다.
이전 학문에서는, 우리는 또한 수성 솔루션37,38,,3940EHD 흐름에 대 한 실험 및 이론적인 작업 실시. 그것은 이온 수송 통로의 정류 했다 전기 몸 힘 전기 분야에서 발생 하는 전기 충전된 솔루션을 생성 하는 효과가 있어야 했다. 이온 교환 막과 막 건너 흐름 채널을 사용 하 여 우리는 이온 전류를 해결할 수 있었다. 양이온 흐름에 집중 하는 음이온 교환 막, 적용할 때 채널 용 끌어서 EHD 흐름37,,3839를 개발. 이온의 이동성에 차이 중요 한 요소 때 양이온 및 음이온 전류를 분리 합니다. 이온 교환 막 효과적으로 이온 선택성 때문에 이동성을 조절 했습니다. 이온 수송 현상 또한 적용된 전기 분야41에 의해 좌우 하는 이온 전류 밀도의 관점에서 조사 되었다. 이러한 연구 결실 단일 분자, 즉, 마이크로 및 나노 입자, 그 움직임은 열 변동11,16,17의 영향을 강하게 조작 기술을 개발 되었습니다. . EOFs와 EHD 흐름 정확한 흐름 제어 방법의 다양성을 확장 하 고 압력 기온 변화도 예상 된다.
이 연구에서 수성 해결책에서 드라이브 EHD 흐름을 두 가지 방법을 설명합니다. 첫째, NaOH 솔루션 작동 유체에 대 한 EHD 흐름37,,3839를 운전 하는 데 사용 됩니다. 음이온 교환 막 두 부분으로 액체를 분리합니다. 1 x 1 m m의 단면 및 3 m m의 길이입니다 (PDMS) 흐름 채널 막 침투. 적용 하 여 2.2 V의 전기 잠재력, Na++, H, OH− 이온의 전기 이동 전송 전기 분야 따라 유발 됩니다. 음이온 교환 막 및 흐름 채널 효과적으로 이온 수송 경로, 어디 음이온 지배적 막 통과 하 고 두 종 일반적으로 반대 방향으로 이동 하지만 양이온 흐름 채널에 집중, 분리 작업 유지 하는 electroneutrality. 따라서, 이러한 상태는 액체 흐름의 원동력을 발생 하지 않습니다. 이 구조는 누구의 흐름 속도 1 m m의 순서에 도달 하는 EHD 흐름을 생성 하는 중요 한/s 채널에서 높은 양이온 외부 전기 분야에 의해 가속을 집중 하기 때문에 드래그 용 매 분자. EHD 흐름 관찰 하 고 그림 1에서 보듯이 현미경 및 고속 카메라를 사용 하 여 기록 됩니다. 둘째, 농도 차이 이온 교환 막으로 분리 된 두 개의 액체 단계 하면 생성 되는 전기 편광된 상태는 이온 교환 막40을 넘어. 이 연구에서 우리는 상당한 대기 시간 equilibrate 액체에 몸 힘을 적용 하는 것이 좋습니다 조건 발생 이온 배포판 및 해당 전기 잠재력을의 중요성을 찾으십시오. 이온 교환 막 건너, 약하게 편광된 상태가 이루어집니다. 같은 조건에서 외부에서 인가 되는 전기 분야 유도 방향 이온 전송 액체, 몸에 힘을 생성 하 고 용 매 이온에서 기세 전송 EHD 흐름을 개발 하는 결과적으로.
위에서 설명 했 듯이, 현재 장치 몇 볼트, 적용된 전압 차이 크게 감소에 성공 하 고 따라서이 메서드는 기존의 전기 충전 주입 방법 필요한 수십 kV 비록 수성 솔루션에 사용할 수 있습니다, 비-수성 솔루션에 응용 프로그램으로 제한 됩니다.

<table><tbody><tr><td>실가드 184</td><td>다우 코닝 주식회사</td><td>3097366-0516, 3097358-1004</td><td>PDMS</td></tr><tr><td>아세톤</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>012-00343</td><td></td></tr><tr><td>에탄올</td><td>와코 퓨어 케미컬 공업</td> 주식회사<td>054-00461</td><td></td></tr><tr><td>0.1 mol/L 수산화나트륨 용액</td><td>와코퓨어케미컬 공업</td><td>196-02195</td><td></td></tr><tr><td>염화</td>칼륨 <td>와코 퓨어 케미컬 공업</td><td>163-03545</td><td></td></tr><tr><td>트리스-EDTA 버퍼 100x 농축액</td><td>Sigma-Aldrich Co., LLC.</td><td>T9285-10014L</td><td></td></tr><tr><td>2.93 &뮤; m 폴리스티렌 입자</td><td>Merck KGaA</td><td>L300 Rouge</td><td>Tracer 입자</td></tr><tr><td>1.01 &mu; m 폴리스티렌 입자</td><td>Merck KGaA</td><td>K100(23716)</td><td>예광 입자</td></tr><tr><td>음이온 교환막</td><td>ASTOM Corp.</td><td>Neosepta AHA</td><td></td></tr><tr><td>Gold (Au)</td><td>후루우치 화학공업</td><td>AUT-13301X</td><td>스퍼터링 타겟 메탈</td></tr><tr><td>티타늄</td><td>후루우치 화학공사</td><td>TIT-72301X</td><td>스퍼터링 타겟 금속</td></tr><tr><td>크롬</td><td>후루우치 화학공사</td><td>CRT-24301X</td><td>스퍼터링 타겟 금속</td></tr><tr><td>고속 CMOS 카메라</td><td>(주)</td><td>폭스바겐-600M</td><td></td></tr><tr><td>현미경</td><td>Keyence Corp.</td><td>VW-9000</td><td></td></tr><tr><td>데이터 로거</td><td>Keyence Corp.</td><td>NR-500, NR-HA08</td><td></td></tr><tr><td>레이저 변위계</td><td>Keyence Corp.</td><td>LK-G5000, LK-H008W</td><td></td></tr><tr><td>PIV 및 PTV 소프트웨어</td><td>(주)디텍트</td><td>Flownizer 2D</td><td></td></tr><tr><td>전위차도 AMTEK</td><td>Inc.&nbsp;</td><td>VersaSTAT4</td><td></td></tr><tr><td>도립 현미경</td><td>Olympus Corp.</td><td>IX73</td><td></td></tr><tr><td>고속 CMOS 카메라</td><td>Andor Technology Ltd.</td><td>Zyla 5.5 sCMOS</td><td></td></tr><tr><td>함수 발생기</td><td>NF Corp.&nbsp;</td><td></td><td></td>WF1945B</tr><tr><td>함수 발생기</td><td>(주)엔에프&nbsp;</td><td>WF1973</td><td></td></tr><tr><td>초음파 세척기</td><td>AS ONE Corp.</td><td></td><td></td>AS22GTU</tr><tr><td>로터리 펌프</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>G-100S</td><td>탈기 액체 PDMS</td></tr><tr><td>로터리 펌프</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>GLD-201A</td><td>스퍼터링&nbsp;</td></tr><tr><td>분자 확산 펌프</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>VPC-400</td><td>스퍼터링</td></tr></tbody></table>

생성 및 제어 충돌기의 수성 전해질 솔루션에 흐르는

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

충돌기 (EHD) 드라이브 흐름은 수성 해결책에서 양이온과 음이온 수송 통로의 분리는 필수 감독된 전기 몸 힘 액체에서 이온 움직임에 의해 유도 될 수 있다 때문에. 다른 한편으로, 긍정 및 부정 요금, 유치 하 고 electroneutrality 사방 평형 조건에서 유지 됩니다. 또한, 적용 된 전압에 있는 증가 불안정 해결책을 일으키는 원인이 되는 물 전기 분해를 피하기 위해 억제 될 수 있다. 일반적으로, EHD 흐름 전기 료를 주입 하 수십 kV, 매우 높은 전압을 적용 하 여 비-수성 솔루션에서에 유도 될 수 있다. 이 연구에서는 두 가지 방법 EHD 흐름 두 액체 단계는 이온 교환 막으로 분리 된다 수성 해결책에서 전기 요금 분리에 의해 유도 된 생성에 소개. 막에 있는 이온 이동성에 차이로 인해 이온 농도 분극 막의 양쪽 사이 유도 된다. 이 연구에서 우리는 두 가지 방법을 보여 줍니다. (i) 이온 농도 기온 변화도의 이완을 통해 어디 느린 종 막에서의 수송 선택적으로 지배적 되 흐름 채널에는 이온 교환 막 침투 흐름 채널 발생 합니다. 이것은 액체에서 EHD 흐름을 생성 하는 원동력입니다. (ii) 긴 대기 시간 이온 교환 멤브레인을 통과 하는 이온의 확산에 대 한 외부 전기 분야를 적용 하 여 이온 끌고 흐름의 생성을 수 있습니다. 1 x 1 m m2 횡단면의 흐름 채널에 집중 하는 이온 전기 이동 전송 경로에 해당 하는 액체 흐름의 방향을 결정 합니다. 두 방법에서 EHD 흐름 생성에 필요한 전기 전압 차이 2 V 이온 전송 경로 조정 하 여 근처에 크게 감소 된다.

그림 4 (비디오 그림) 프로토콜의 1 단계에 따라 이온 수송 통로 채널에 액체 흐름을 유도 하는 고 농도 양이온의 정류에서 발생 하는 EHD 흐름 세대의 대표적인 결과를 선물 한다. 그림 5 는 PIV 분석 결과 20 데이터 채널의 중앙 점 (y = z = 0 m m)를 평균 했다. 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션 때 2.2 V의 전위는 t 에 적용 된 경우 5 = s, 피크 값을 신속 하 게 증가 하는 추적 입자의 속도. 그 후, 속도 감소 하 고 0에 수렴. 최고 속도 도달 근처 2 m m/s. 이것은 음이온 교환 막과는 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션을 사용 하 여 생성 하는 EHD 흐름의 일반적인 결과 이다.
<p class="jove_c...

이온 수송 통로의 정류 단방향 이온 끌고 충돌기 흐름을 생성 하는 효과적인 방법입니다. 흐름 채널에서 이온 교환 멤브레인을 설정 하 여 전기 편광된 상태 생성 되 고 전기 분야 외부에서 적용 될 때 구동 액체 흐름을 원인.

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

이 방법은 좁은 공간에서 누출이 얼마나 효과적으로 전달되는지와 같은 마이크로 및 나노 유체 연구 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 이온 교환막을 사용하여 전기가 통하는 수송 경로가 전기화되는 양이온과 음이온이 전기유체역학적 흐름을 구동한다는 것입니다. 우리 연구실을 졸업한 군마대학 조교수 Ayoko Yano와 우리 연구실의 박사 과정 학생인 Fumika Nito가 절차를 시연합니다.먼저 PTFE 몰드의 양쪽 끝에 아크릴 플레이트를 플라스틱 접착제로 부착하여 저장소에 슬릿을 만들어 바이어스 전극을 고정합니다. 50 밀리리터 튜브에 실리콘 엘라스토머 베이스를 경화제에 10:1 비율로 혼합합니다. 그런 다음 진공 용기에 액체 PDMS를 설정하고 로터리 펌프를 사용하여 가스를 제거합니다.진공 용기에서 튜브를 제거합니다. 그런 다음 PDMS를 40 x 50 x 24mm 입방체 플라스틱 용기에 부어 저장소의 외부 모양을 성형하고 그 안에 저장소 금형을 놓습니다. 액체 PDMS의 몸 전체를 섭씨 80도의 핫 플레이트에서 약 4시간 동안 굽습니다.베이킹 후 PDMS 저장소를 외부 용기의 PTFE 몰드에서 손으로 분리합니다. 그런 다음 수술용 칼을 사용하여 저수지 중앙을 가로질러 슬릿을 만듭니다. 핀셋을 사용하여 이전에 금 박막으로 코팅된 유리판을 저장소의 양쪽 끝에 놓고 바이어스 전극 역할을 합니다.다음으로, 가위를 사용하여 음이온 교환막을 20 x 18mm 정사각형 직사각형으로 자릅니다. 그런 다음 멤브레인의 한쪽 가장자리에서 3 x 5 포인트 5 밀리미터 정사각형 직사각형을 자릅니다. 이제 수술용 칼을 사용하여 사각형 흐름 채널이 있는 응고된 PDMS 블록을 3 x 6 x 4점 5mm 입방체 조각으로 자릅니다.바깥쪽 가장자리를 따라 슬릿을 만들고 직사각형 컷아웃 내의 멤브레인에 부착합니다. 그런 다음 핀셋을 사용하여 PDMS 흐름 채널이 있는 음이온 교환막을 PDMS 저장소로 설정합니다. 마이크로피펫을 사용하여 수산화나트륨 용액 4ml를 저장통에 채웁니다.관찰 전에 멤브레인의 전도성을 향상시키기 위해 DC 전원을 사용하여 앞뒤로 각각 2시간 동안 직렬로 2점 2볼트의 전위를 적용합니다. 그런 다음 핀셋으로 금 전극을 당겨 빼냅니다. 그런 다음 마이크로피펫을 사용하여 저장소에서 용액을 제거합니다.핀셋으로 저장소에 새 금 전극을 설정합니다. 마이크로피펫을 사용하여 4ml의 수산화나트륨 용액으로 저장소를 채웁니다. 이 시점에서 고속 상보 금속 산화물 반도체 카메라의 프레임 속도와 노출 시간을 각각 초당 500프레임과 1밀리초로 설정합니다.전위를 적용하기 전에 마이크로피펫의 끝을 채널 끝에 삽입하여 기포를 밀거나 당겨 채널에서 기포를 제거합니다. 이제 금 바이어스 전극에 2점 2볼트의 전위를 외부적으로 인가합니다. 동시에 전위차(potentiostat)를 사용하여 전기 반응을 모니터링한 다음 컴퓨터에 추적 입자의 거동을 기록합니다.앞서 설명한 것과 유사한 절차에 따라 바닥 유리판에 26 x 10mm 제곱 표면으로 금 바이어스 전극을 형성합니다. 무선 주파수 스퍼터링을 사용하여 75와트에서 2분 동안 아르곤 플라즈마에 노출된 크롬으로 유리 표면을 코팅하고 75와트에서 5분 동안 금색 박막을 증착합니다. 솔더 인두를 사용하여 전극 가장자리에 있는 리드선을 납땜합니다.큰 실리콘 고무 시트에서 수술용 칼을 사용하여 두 개의 저장소 사이에 배치된 1x1mm 입방체 흐름 채널로 만들어진 두 개의 챔버를 잘라냅니다. 다음으로, 수술용 칼을 사용하여 양이온 교환막을 20 x 30mm 제곱으로 잘라냅니다. 100와트를 가하여 15분 동안 순수한 물로 각 부품을 초음파화합니다.핀셋을 사용하여 챔버 사이에 양이온 교환막을 삽입한 다음 챔버와 양이온 교환막의 스택을 유리판으로 누르고 밀봉합니다. 주사기를 사용하여 미리 준비된 Tris-EDTA 폴리스티렌 입자와 Tris-EDTA 염화칼륨 용액을 각각 하부 및 상부 챔버에 주입합니다. 이제 도립 현미경의 무대에 실험 장치를 설정하십시오.현미경을 고속 무료 금속 산화물 반도체 카메라에 연결하여 입자 움직임의 궤적을 모니터링하고 관찰 데이터를 컴퓨터에 기록합니다. 마지막으로, 함수 발생기를 전원으로 사용하여 두 전극 사이에 6초당 2볼트의 전위차를 적용합니다. 채널에서 액체 흐름을 유도한 이온 수송 경로와 고농도 양이온의 정류로 인한 EHD 흐름 생성의 대표적인 결과가 여기에 제시되어 있습니다.PIV 분석은 2점 2볼트의 절충적 전위가 적용되었을 때 추적 입자의 속도가 피크 값까지 빠르게 증가했음을 보여주었습니다. 그 후 속도가 감소하고 0으로 수렴했습니다. 이온 전류 조건에서 전기적으로 분극된 용액에서 생성된 EHD 흐름의 대표적인 결과가 여기에 나와 있습니다.EHD 흐름의 속도 응답은 2볼트가 가해졌을 때 전기장에 반응하는 추적기 입자를 추적하여 분석되었습니다. 입자는 역방향 방향으로 빠르게 이동했고, 짧은 시간 응답 후 흐름이 정방향으로 변경되고 전위가 꺼질 때까지 속도가 일정해졌습니다. 채널의 나트륨 이온에 의해 끌리는 EHD 흐름은 음이온 교환막에서 수산화물 이온의 수송에 의해 트리거됩니다.양이온 전류 조건에서 유도되는 EHD 흐름에서 칼륨 이온은 양이온 교환막을 관통하여 양이온 우성 조건을 유발하고 결과적으로 EHD 흐름은 양이온 전류를 따라 유도됩니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 두 시간 안에 완료할 수 있습니다. 금 전극 모두에 대한 시간과 electride 용액이 안정화될 때까지 기다리는 시간을 고려하십시오.이 절차를 시도하는 동안 electride 솔루션을 통합하는 데 상당한 시간이 걸린다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차를 따를 때 전기 유체역학적 흐름을 구동하기 위해 이온 전류 조건에서 전기 중성 상태를 조절해야 합니다. 개발 후 이 기술은 마이크로 및 나노 유체 fanomer 분야의 연구자들이 다양한 유형의 누출에서 새로운 흐름 제어 방법을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.이 비디오를 시청한 후에는 전기가 통하는 이온 전류에 의해 유도되는 전기 유체역학적 흐름을 만드는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 고농도 수산화나트륨으로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으므로 이 절차를 수행하는 동안 항상 보안경, 장갑 및 실험복 착용과 같은 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions(수성 전해질 용액에서의 전기유체역학적 흐름의 생성 및 제어)

마이크로 및 나노 스케일 더 현실로되어 가고 있도록 기술 및 정지 유체 입자를 조작하는 것은, AC 동전 기학 같은 개발을 계속합니다. 여기, 우리는 어떻게 실험 관찰 해석하는 이러한 장치와를 조작하는 방법, AC 동전 기학 뒤에 물리학에 대해 설명합니다.

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작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다.

나란히 이온 교환 멤브레인 사이의 이온 농도 분극을 병합하면 편광 영역의 전파를 차단하는

여기, 선물이 제조 프로세스와 semi-three-dimensional (세미-3D) 흐름 초점 미세 칩 물방울 형성에 대 한 확인 실험을 설명 하는 프로토콜.

크기 제어 폴 리 (에틸렌 글리콜) 빛 방울 장치를 통해 세미 3 차원 흐름 초점 미세의 세대

이 프로토콜의 목표는 온도를 사용하여 3차원 활성 유체의 유속을 제어하는 것입니다. 이 방법의 장점은 현장에서 유속을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 주기적으로 유속을 위아래로 조정하는 것과 같은 동적 제어를 가능하게 합니다.

온도를 이용한 미세소관 기반 3D 활성 유체의 유속 제어

이 프로토콜은 마이크로 채널에서 10-1000Hz의 고조파 진동 흐름을 생성하는 편리한 방법을 보여줍니다. 이는 컴퓨터 제어 스피커 다이어프램을 모듈식 방식으로 마이크로채널에 인터페이싱하여 수행됩니다.

마이크로채널에서 서브킬로헤르츠 진동 흐름의 생성을 위한 외부 드라이버의 조립 및 특성화

여기서, 제어된 방울 크기를 갖는 고도로 단분산 에멀젼을 생성하기 위해 사용되는 유리 기반 미세유체 장치를 제조하기 위한 프로토콜이 제시된다.

방울과 에멀젼을 생성하는 유리 기반 장치

학습하세요 이온교환막을 이용한 전기수력학적 흐름 생성 방법을 통해 미세유체 시스템에서 이온 수송을 제어하는 기술을. Gunma 대학 연구진이 개발한 이 실험은 나노 유체역학 연구에 새로운 가능성을 제공합니다.

생성 및 제어 충돌기의 수성 전해질 솔루션에 흐르는

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