Method Article

Generatie en de controle van de Electrohydrodynamic stroomt in waterig elektrolyt oplossingen

DOI:

10.3791/57820

⸱

September 7th, 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 2Division of Mechanical Science and Technology, Faculty of Science and Technology, GUNMA University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De rectificatie van ion vervoer trajecten is een effectieve methode voor het genereren van een-directioneel ion-gesleept electrohydrodynamic stromen. Door het instellen van een ionenwisseling membraan in een kanaal, een elektrisch gepolariseerde voorwaarde wordt gegenereerd en zorgt ervoor dat een vloeibare stroom worden aangedreven wanneer een elektrisch veld wordt extern toegepast.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Om te rijden electrohydrodynamic (EHD) stroomt in waterige oplossingen, de scheiding van kation en anion vervoer trajecten is essentieel omdat een gestuurde elektrische lichaam kracht moet worden geïnduceerd door Ionische bewegingen in vloeistof. Aan de andere kant, positieve en negatieve kosten trekken elkaar en electroneutrality overal in evenwichtsvoorwaarden wordt gehandhaafd. Bovendien, een toename van een toegepaste spanning moet worden onderdrukt om te voorkomen dat elektrolyse van water, waardoor de oplossingen kan mogelijk instabiel worden. Meestal kunnen EHD stromen worden opgewekt in niet-waterige oplossingen door extreem hoge spanningen, zoals tientallen kV, toe te passen om te injecteren van elektrische ladingen. In deze studie, worden twee methoden ingevoerd voor het genereren van EHD stromen geïnduceerd door de elektrische lading scheidingen in waterige oplossingen, waarin twee vloeibare fases zijn gescheiden door een ionenwisseling membraan. Als gevolg van een verschil in de Ionische mobiliteit in het membraan, wordt ion concentratie polarisatie geïnduceerd tussen beide zijden van de membraan. In deze studie tonen we twee methoden. (i) de ontspanning van ion concentratie verlopen vindt plaats via een kanaal dat een ionenwisseling membraan, waar het vervoer van de langzamere soorten in het membraan selectief dominant in het kanaal van de stroom wordt doordringt. Dit is een drijvende kracht voor het genereren van een stroom EHD in de vloeistof. (ii) een lange wachttijd voor de verspreiding van ionen de ionenwisseling membraan passeren kan het genereren van een stroom van ion-gesleept door een elektrisch veld Extern toe te passen. Ionen geconcentreerd in een kanaal van de stroom van een doorsnede van 1 x 1 mm2 bepalen van de richting van de vloeibare stroom, overeenkomt met de trajecten elektroforetische vervoer. In beide methoden, is het verschil van de elektrische spanning vereist voor een generatie EHD flow drastisch verminderd 2 V in de buurt door de ion vervoer trajecten te verhelpen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Onlangs, vloeibare stroom controletechnieken hebben aangetrokken veel aandacht vanwege interesse in de toepassingen van micro- en nanofluidic apparaten1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. in polar oplossingen, zoals waterige oplossingen en Ionische vloeistoffen, ionen en elektrisch geladen deeltjes meestal brengen over elektrische ladingen in vloeibare stromen. Het vervoer van dergelijke gepolariseerde deeltjes biedt een uitbreiding van verschillende toepassingen, zoals één-molecuul manipulatie6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode apparaten12,18, en vloeibare stroom bepalen19,20,21,22. EHD stroom is sinds een toepasselijke fenomeen voor vloeibare stroom besturingen Stuetzer1,2 uitgevonden de ion slepen pomp. Melcher en Taylor3 publiceerde een belangrijk artikel waarin het theoretische kader van EHD stroom werd goed beoordeeld en enkele opmerkelijke experimenten werden ook gedemonstreerd. Saville4 en zijn collega's23,24 bijgedragen aan de volgende expansie van EHD technologieën in vloeistoffen. Er waren echter enkele beperkingen aan inducerende vloeibare stromen gedreven door de elektrische krachten, omdat tientallen kV worden toegepast in vloeistoffen moeten te injecteren van elektrische ladingen in apolaire oplossingen, zoals oliën, om te polariseren hen1,2 , 3. Dit is een nadeel voor waterige oplossingen omdat de elektrolyse van water dat wordt veroorzaakt door een elektrische potentiaal hoger dan 1.23 V Hiermee wijzigt u de kenmerken van oplossingen en de oplossingen unstable maakt.

In de kanalen van micro- en nanofluidic veroorzaken oppervlakte beschuldiging van kanaal muren de concentratie van counterions die effectief electroosmotic stromen (EOFs induceren) onder Extern toegepaste elektrische velden25,26,27 2928, ,. Met behulp van EOFs, zijn sommige vloeibare pompen technieken toegepast in waterige oplossingen, vermindering van de elektrische spanningen30,31,32. Aan de andere kant, zijn de EOFs beperkt tot wordt gegenereerd in micro- en nanospaces waarin oppervlakten meer dominant dan vloeibare volumes geworden. Bovendien, afhankelijk van het vervoer van sterk geconcentreerde ionen zeer dicht bij de muur oppervlakken, zoals in elektrische dubbele lagen, de grens van de slip alleen zorgt ervoor dat de vloeibare stroom, die niet voldoende wellicht om druk verlopen7, 8 , 22 , 26 , 27. Fijnafstemming, zodanig kanaal afmetingen en zout concentraties, is vereist voor de toepassingen van het EOF. Daarentegen stroomt EHD gedreven door lichaam krachten lijken te zijn beschikbaar voor het vervoer van massa en energie als de spanningen van de toepassing kunnen worden verlaagd om te voorkomen dat vernederende oplosmiddelen. Onlangs, hebben sommige onderzoekers gesuggereerd toepassingen van EHD stromen met lage spanningen33,34,35,,,36. Hoewel deze technologieën nog niet omgezet zijn, verwachting de grenzen uit te breiden.

In eerdere studies leidee we experimentele en theoretische werk over EHD stromen in waterige oplossingen37,38,39,40. Het was de bedoeling dat de rectificatie van ion vervoer opleidingstrajecten werkzaam was voor het genereren van elektrisch geladen oplossingen waardoor elektrische lichaam krachten onder elektrische velden. Met behulp van een ionenwisseling membraan en een stroom kanaal oversteken van het membraan, konden we corrigeren Ionische stromingen. Bij de toepassing van een membraan anion-uitwisseling, caties geconcentreerd in de stroom kanaal sleepte de oplosmiddelen en ontwikkelde een EHD stroom37,38,39. Een verschil in de mobiliteit van ion soorten was een belangrijke factor bij het scheiden van de kationische en anionische stromingen. Ionenwisselaarmembranen effectief gewerkt aan het moduleren van de mobiliteit als gevolg van de ion-selectiviteit. Ion transportverschijnselen werden ook onderzocht vanuit het oogpunt van Ionische stroomdichtheid beïnvloed door toegepaste elektrische velden41. Deze studies hebben opgeleverd voor de ontwikkelingslanden manipulatie technieken voor afzonderlijke moleculen, namelijk micro- en nanodeeltjes, waarvan bewegingen zijn sterk beïnvloed door thermische schommelingen11,16,17 . EOFs EHD stromen naar verwachting uit te breiden van de verscheidenheid van precieze stroming bestrijdingsmethoden evenals druk verlopen.

In deze studie tonen we twee methoden tot station EHD stromen in waterige oplossingen. Ten eerste, een NaOH oplossing wordt gebruikt voor een werkmedium te rijden een EHD stroom37,38,39. Een membraan anion-uitwisseling scheidt de vloeistof in twee delen. Een Polydimethylsiloxaan (PDMS) stroom kanaal met een doorsnede van 1 x 1 mm en een lengte van 3 mm doordringt het membraan. Door een elektrische potentiaal van 2.2 V toe te passen, wordt het elektroforetisch vervoer van nb+, H+en OH− ionen veroorzaakt langs de elektrische velden. Een membraan anion-uitwisseling en een stroom kanaal werken effectief om te scheiden van de ion vervoer paden, waar anionen dominant passeren van het membraan en kationen concentreren in het kanaal van de stroom, hoewel beide soorten gewoonlijk in tegengestelde richtingen bewegen, behoud van de electroneutrality. Dus veroorzaakt geen dergelijke voorwaarde een drijvende kracht voor vloeibare stromen. Deze structuur is cruciaal voor het genereren van een stroom van de EHD waarvan flow snelheid over de volgorde van 1 mm bereikt/s in het kanaal omdat hooggeconcentreerde caties versneld door externe elektrische velden slepen oplosmiddel moleculen. EHD stromen worden geobserveerd en geregistreerd met behulp van een microscoop en een high-speed camera zoals getoond in Figuur 1. Ten tweede, een concentratie verschil tussen twee vloeibare fasen gescheiden door een ionenwisseling membraan zorgt ervoor dat een elektrisch gepolariseerde voorwaarde moeten worden gegenereerd overschrijding van een ionenwisseling membraan40. In deze studie vinden we het belang van een aanzienlijke wachttijd equilibreer ion distributies en een overeenkomstige elektrische potentiaal, waardoor beter voorwaarden toe te passen op de kracht van een lichaam in een vloeistof. Overschrijding van de ionenwisseling membraan, wordt een zwak gepolariseerde voorwaarde bereikt. In zulk een voorwaarde, een extern toegepast elektrisch veld induceert directionele ion vervoer dat een kracht van het lichaam in een vloeistof genereert, en dientengevolge, de overdracht van de impuls van de ionen naar het oplosmiddel ontwikkelt een EHD stroom.

Zoals hierboven vermeld, de huidige apparaten slagen het toegepaste spanningsverschil tot een paar volt drastisch te verlagen, en dus is deze methode kan worden gebruikt voor waterige oplossingen, hoewel de conventionele elektrische lading injectie methoden tientallen kV vereist en zijn beperkt tot een verzoek tot niet-waterige oplossingen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. EHD Flow geïnduceerd door gerectificeerde Ion vervoer

  1. Ontwikkeling van een apparaat van stroom kanaal om te zetten van ion vervoer trajecten
    1. Maak een PTFE-mal van het reservoir:
      1. Knip een 13 x 30 x 10 mm3 schimmel uit een blok van polytetrafluorethyleen (PTFE) met behulp van een freesmachine (Zie Figuur 2). U kunt ook een op maat gemaakte product te kopen.
      2. Acrylplaat van 15 x 18 x 1 mm3 aan beide uiteinden van de PTFE-mal met een plastic lijm, waardoor spleten in het reservoir te regelen van de bias elektroden zal houden. Deze onderdelen kunnen worden uitgeknipt uit een groot bord of ingekocht.
      3. Houden de acrylplaat van 13 x 30 x 1 mm3 op de oppervlakken van het boven- en onderkant van de PTFE-schimmel met een plastic lijm maken vlakke oppervlakken voor duidelijke observatie.
    2. Meng een silicone-elastomeer basis en genezen agent in een verhouding van 10:1 in een tube van 50 mL en de buis met de hand schudden.
    3. De vloeibare PDMS vestigen in een vacuüm vaartuig en ontgas het met behulp van een roterende pomp.
    4. Verwijder de buis van het vaartuig. Giet de PDMS in een 40 x 50 x 24 mm3 kunststof schip schimmel de uitwendige vorm van het reservoir en plaats het reservoir schimmel (zie stap 1.1.1) erin.
    5. Bak het geheel van de vloeistof PDMS op een kookplaat bij 80 ° C gedurende ongeveer 4 uur.
    6. Na het bakken, het PDMS reservoir van de PTFE-schimmel en het buitenste vaartuig met de hand te isoleren. Maak een gleuf in het midden van het reservoir met behulp van een chirurgisch mes. Dit zal worden gebruikt om de randen van een membraan van de anion-exchange (bereid in stap 1.1.16) gebracht door het gebruik van pincet.
      Opmerking: Het PDMS reservoir is gevuld met elektrolyt oplossingen later, zoals weergegeven in Figuur 2.
    7. Verkrijgen glasplaten (gemaakt door speciale bestelling) met een ronde vorm van 18 mm in doorsnede of een vierkant met 18 mm randen.
    8. De glazen platen wassen door inweken hen in aceton, ethanol en zuiver water (in die volgorde) in een bad met ultrasone trillingen voor elke 15 min.
    9. Blazen van eventuele resterende vloeistoffen weg met een luchtpistool of Verwarm de glasplaten met een kookplaat voor 5 min op ongeveer 473 K.
    10. Met behulp van radiofrequentie sputteren, het glasoppervlak met Cr of Ti blootgesteld aan Ar plasma voor 1 min 75 W jas en achtereenvolgens het deponeren van een dunne film van de Au voor 5 min op 75 W, de dikte instellen op ongeveer 100 nm.
      Opmerking: Voordat het glasoppervlak met de doel-metalen coating, de monsters werden ingesteld in een vacuuemcel die werd geëvacueerd met een roterende pomp en een Moleculaire diffusie pomp totdat de druk verlaagd naar 1 x 10−2 Pa.
    11. Soldeer een voorsprong op de Au elektrode oppervlakte met behulp van een soldeerbout.
      Opmerking: De vorm van de Au-elektrode kan eventueel worden vervangen door pleinen en spiraalvormige draden, behoud van oppervlakten die groot genoeg is voor het genereren van Ionische stromingen.
    12. Met een pincet, stelt u de glazen platen bedekt met een dunne film van Au aan beide uiteinden van het reservoir. Dit zijn de elektroden van de bias.
    13. Snijd een membraan anion-uitwisseling in een rechthoekige vorm voor 20 x 18 mm2 met behulp van schaar. Een oppervlakte van 13 mm breed en 10 mm in hoogte wordt blootgesteld aan een vloeistof. Hier, kan een vak cutter of een chirurgisch mes ook worden gebruikt om te knippen het membraan.
    14. Een rechthoekig stuk van 3 x 5.5 mm2 uit een van de randen van het membraan knip met een schaar.
      Opmerking: De dikte van het membraan anion-uitwisseling is 220 µm. Het membraan is gemakkelijk snijden met schaar of een vak cutter. De randen van het membraan worden gedeeltelijk bevestigd met de spleten in de zaal.
    15. Stollen een PDMS blok met een roestvrijstalen staaf van een doorsnede van 1 x 1 mm2 op dezelfde manier zoals in stappen 1.1.4 - 1.1.5, om een stroom kanaal dat het membraan doordringt te maken. Laat de bouw 's nachts en dan trek de roestvrijstalen staaf uit het PDMS blok.
    16. Snijd de PDMS blok met een vierkante stroom kanaal in een 3 x 6 x 4.5 mm stuk (Zie Figuur 2) met behulp van een chirurgisch mes. Spleten langs de buitenranden Maak, dan koppelen aan het membraan binnen de rechthoekige uitsparing.
      Opmerking: De bovenz─│de van het kanaal moet worden vastgesteld horizontaal voor een duidelijke observatie van de deeltjes in de stroom kanaal via de transparante muur.
  2. Bereiding van de oplossingen en voorbehandelingen voor experimenten
    1. Waterige oplossingen van de NaOH in concentraties van 1 x 10−1, 1 x 10−2, en 1 x 10−3 mol/L bereid door verdunning van de stockoplossing.
    2. Gemiddeld een dispersie van polystyreen deeltjes van 2,93 µm in diameter in elk van de in stap 1.2.1 voorbereid door de concentratie aan 4.2 x 10−3 vol % NaOH-oplossingen maken.
      Opmerking: De grootte van de deeltjes tracer kan worden gewijzigd op passende wijze ter verbetering van de waarneembaarheid.
    3. Ultrasonicate van het membraan van de opgemaakte anion-uitwisseling 20 x 18 mm,2 met een gleuf van 3 x 5.5 mm2 2 x voor 10 min in zuiver water op een kracht van 100 W.
    4. Met een pincet, zet u het membraan anion-uitwisseling met het PDMS stroom kanaal in het PDMS reservoir. Vul het reservoir met 4 mL NaOH-oplossing met behulp van een micropipet.
      Opmerking: Het membraan oppervlak en stroom kanaal worden ondergedompeld in de gekozen oplossing, waar het oppervlak van de membraan blootgesteld aan de oplossing ten minste 100 x groter dan de doorsnede van het kanaal van de stroom.
    5. Toepassen een elektrische potentiaal van 2.2 V met behulp van een DC-krachtbron in voorwaartse en achterwaartse richtingen gedurende 2 uur in de serie, ter verbetering van de geleidbaarheid van het membraan voor observatie.
    6. Trek de Au-elektroden met een pincet. Verwijder de oplossing uit de reservoirs met behulp van een micropipet.
    7. Set nieuwe Au elektroden in de reservoirs met een pincet. Vul de reservoirs met 4 mL NaOH-oplossing met behulp van een micropipet. Opmerkingen worden gestart wanneer de oplossing is geëquilibreerd.
      Opmerking: Het duurt een paar minuten van de wachttijd totdat de natuurlijke convectie afwikkelt neer, die kan worden beoordeeld door het observeren van het gedrag van tracer deeltjes.
  3. Experimentele setup en meting systemen
    1. Stel de framesnelheid en de belichtingstijd van een camera complementary metal-oxide-semiconductor van de hoge snelheid (GMO's) op 500 fps en 1 ms, respectievelijk.
      Opmerking: Zoals aangegeven in Figuur 1, het experimentele apparaat is ingesteld op het podium van een Microscoop aangesloten op een supersnelle CMOS-camera op opnemen op de bewegingen van het deeltje. De weergave wordt vergroot in een 15 in monitor met een 100 X lens.
    2. Verwijder alle bubbels uit het kanaal door het invoegen van het puntje van een micropipet in het kanaal einde te duwen of te trekken uit hen, alvorens een elektrische potentiaal.
    3. Extern een elektrische potentiaal van 2.2 V van toepassing op de Au bias elektroden. Tegelijkertijd bewaken de elektrische antwoorden met behulp van een potentiostaat of een DC voedingsbron met een digitale multimeter.
      Opmerking: De waarde van de spanning wordt bepaald als de bovengrens, het vermijden van de elektrolyse van water dat O2 en H2 bubbels in de oplossing genereert.
    4. Record het gedrag van de tracer deeltjes op de computer.
    5. Meet een elektrische potentiaalverschil tussen beide uiteinden van het kanaal van de stroom met behulp van Au sonde elektroden en een digitale multimeter om te bevestigen dat de gradiënt van de concentratie van de ionen een EHD stroom38,39 veroorzaakt.
    6. Het bepalen van de oorsprong van het Cartesisch coördinatenstelsel in het midden van het kanaal.
      Opmerking: De x- as wordt langs de lengterichting van het kanaal, en de y- en z-assen zijn in de horizontale en verticale richtingen in de doorsnede van het kanaal, respectievelijk, zoals weergegeven in Figuur 2. Het transparante PDMS kanaal kunt vloeibare stromen te worden gevisualiseerd langs de x-as. De weergave is gericht op de xy -oppervlakte op z = 0 door het beheersen van de diepte van de focus. De stroom gegevens zijn onafhankelijk van x in het gedeelte van de test behalve vlakbij de inlaat en de uitlaat van het kanaal, en de observatiepunt ingesteld op ongeveer 0,75 mm stroomafwaarts vanaf de oorsprong, zodanig dat x = 0,75, y = 0 en z = 0 mm.
    7. Na een enkele meting (van 15 s), de elektroden kortsluiting door hen te verbinden met elkaar zijn verbonden met een voorsprong voor 20 min tot de oplossing is geëquilibreerd.
    8. Vervolgens het geheel van de oplossing naar een ander vaartuig (bijvoorbeeld, een flacon van 10 mL monster) en roer het met een micropipet.
    9. Giet de stirred oplossing in de zaal weer met behulp van een micropipet bij het iteratief uitvoeren van het experiment.
      Opmerking: Na observatie, de stroomsnelheid EHD wordt geëvalueerd met behulp van de particle image velocimetry (PIV) methode39, die kan worden gedaan met behulp van de juiste software op te sporen van de verplaatsing van deeltjes en numeriek evalueren de snelheid. Een gedetailleerde uitleg van PIV methoden en hoe ze te gebruiken is hier weggelaten omdat PIV analyses op grote schaal gebruikt hebben en de procedures van berekeningen is afhankelijk van de software en het besturingssysteem dat wordt gebruikt.

2. waarneming van EHD catie-geïnduceerde stromen

  1. Ontwikkeling van experimentele apparaat
    1. Au bias elektroden met een oppervlakte van 26 x 10 mm2 op de bodemplaat glas volgens procedures die vergelijkbaar zijn met die eerder zijn beschreven in stappen 1.1.5 - 1.1.7 vormen.
    2. Met behulp van radiofrequentie sputteren, een glazen oppervlak met Cr of Ti blootgesteld aan Ar plasma voor 2 min op 75 W jas en een dunne film van de Au voor 5 min storting bij 75 W.
      Opmerking: Deze vorm van elektrode wordt bepaald om elektrische velden in het smalste channel-gebied sterk te concentreren. De verhouding van de elektrode oppervlakte, waarvan deel van 10 x 10 mm2 wordt blootgesteld aan een vloeistof, aan de doorsnede van het kanaal is een ideale 100:1; deze verhouding wordt voorspeld te volstaan om de elektrische potentiaal op het kanaal een groot bedrag-16.
    3. Een lijn van de lead aan een rand van de elektroden soldeer met behulp van een soldeerbout.
    4. Van een grote silicone rubber vel, Knip 2 kamers, elk gemaakt van een 1 x 1 x 1 mm3 stroom kanaal geplaatst tussen twee 10 x 10 x 1 mm3 stuwmeren, met een chirurgisch mes (Zie Figuur 3). Deze onderdelen mag worden vervangen door PDMS.
    5. Knip een membraan catie-uitwisseling met een gemiddelde dikte van 127 µm tot 20 x 30 mm met behulp van een vak cutter of een chirurgisch mes, zoals afgebeeld in Figuur 3.
    6. Ultrasonicate van elke part in zuiver water gedurende 15 minuten door het toepassen van 100 W.
    7. Invoegen van een membraan catie-uitwisseling tussen de kamers met pincet, zoals afgebeeld in Figuur 3. Dit zal scheiden 2 elektrolyt oplossingen van verschillende concentraties.
    8. Druk op en verzegel de stack van de kamers en de catie-uitwisseling membraan met glasplaten waarvan de afmetingen 26 mm breed en 38 mm lang zijn.
  2. Bereiding van de oplossingen
    1. Bereid een dispersie van polystyreen deeltjes met een gemiddelde diameter van 1.01 µm in een 1 x 10-2 mol/L-tris (hydroxymethyl) aminomethane ethyleendiamminetetra zuur (Tris-EDTA) bufferoplossing, waar de volumeverhouding wordt ingesteld op 1 x 10−2 vol %.
    2. Bereiden een mengsel van 1 mol/L van KCl en 1 x 10−2 mol/L van Tris-EDTA.
    3. Injecteren van het deeltje Tris-EDTA/polystyreen en de Tris-EDTA/KCl-oplossingen in de boven- en ondergrenzen chambers, respectievelijk, via spuit naalden ingevoegd van de zijwanden van de kamers.
      Opmerking: Het aantal van de oplossingen die in elke kamer geïnjecteerd is ongeveer 210 µL.
    4. Wachten voor ongeveer 18 h de oplossing is als gevolg van een verspreiding van de ionen om te ontspannen van de ion concentratie verschil tussen de bovenste en onderste lagen geëquilibreerd.
      Opmerking: In het proces van verspreiding, K+ in de bovenste oplossing en H+ in het membraan naar verwachting het membraan te penetreren eerste en Cl− wordt verwacht om hen te volgen.
  3. Experimentele setup en meting systemen
    1. Stel het experimentele apparaat ontwikkeld in stap 2.1 op het podium van de omgekeerde Microscoop met de hand, zoals afgebeeld in Figuur 3. De Microscoop verbinden met een supersnelle CMOS-camera om te controleren de trajecten van de particle moties en opnemen van de observatie gegevens op een computer.
    2. Toepassen van een elektrische potentiaalverschil van 2 V voor 6 s tussen de twee elektroden met behulp van een functiegenerator als een krachtbron.
    3. Om te bevestigen dat EHD stromen zijn geïnduceerd door ion vervoer, meten de Ionische stromingen gelijktijdig met behulp van een ampèremeter40.
    4. Het analyseren van de geregistreerde trajecten van de deeltjes door het deeltje tracking velocimetry (PTV) methode39.
      Opmerking: Na de opmerkingen, de stroomsnelheid EHD wordt geëvalueerd door de PTV-methode, die mogelijk is met behulp van de juiste software, op te sporen van de verplaatsing van deeltjes en numeriek evalueren de snelheid. Een gedetailleerde uitleg van PTV methoden en hoe ze te gebruiken is hier weggelaten omdat PTV analyses op grote schaal gebruikt hebben en de procedures van de berekeningen is afhankelijk van de software en het besturingssysteem dat wordt gebruikt.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figuur 4 (video figuur), presenteert een representatief resultaat van een generatie EHD flow, als gevolg van de rectificatie van ion vervoer trajecten en sterk geconcentreerde caties die een vloeibare stroom in het kanaal veroorzaakte, volgens stap 1 van het protocol. Figuur 5 toont een resultaat van de analyse van PIV, waar 20 gegevenspunten in de buurt van het centrum van het kanaal (y = z = 0 mm) werden gemid...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het doel van deze studie was om te scheiden van kationen en anionen in waterige oplossingen op het gebied van ruimtelijke distributies en vervoer nummers. Met behulp van een membraan anion-uitwisseling, kon het vervoer van de anionen en kationen worden rechtgezet in het membraan en een stroom kanaal dat het membraan, respectievelijk doordringt. U kunt ook een catie-uitwisseling membraan dat gescheiden van hoge en lage concentratie oplossingen gewerkt aan elektrisch gepolariseerde oplossingen genereren na een aanzienlijke...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben geen bevestigingen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sylgard 184Dow Corning Corp.3097366-0516, 3097358-1004PDMS
AcetoneWako Pure Chemical Industries, Ltd.012-00343
EthanolWako Pure Chemical Industries, Ltd.054-00461
0.1 mol/L Natriumhydroxide-oplossingWako Pure Chemical Industries, Ltd.196-02195
PottasiumchlorideWako Pure Chemical Industries, Ltd.163-03545
Tris-EDTA-buffer 100x concentraatSigma-Aldrich Co. LLC.T9285-10014L
2,93 μm polystyreen deeltjeMerck KGaAL300 RougeTraceer deeltje
1,01 μm polystyreen deeltjeMerck KGaAK100(23716)Traceer deeltje
AanionuitwisselingsmembraanASTOM Corp.Neosepta AHA
Goud (Au)Furuuchi Chemical Corp.AUT-13301XSputtermateriaal
TitaniumFuruuchi Chemical Corp.TIT-72301XSputtermateriaal
ChroomFuruuchi Chemical Corp.CRT-24301XSputtermateriaal
High-speed CMOS cameraKeyence Corp.VW-600M
MicroscoopKeyence Corp.VW-9000
DataloggerKeyence Corp.NR-500, NR-HA08
LaserverplaatsingsmeterKeyence Corp.LK-G5000, LK-H008W
PIV en PTV softwareDITECT Co. Ltd.Flownizer 2D
PotentiostaatAMTEK Inc. VersaSTAT4
Inverteerbare microscoopOlympus Corp.IX73
High-speed CMOS cameraAndor Technology Ltd.Zyla 5.5 sCMOS
FunctiegeneratorNF Corp. WF1945B
FunctiegeneratorNF Corp. WF1973
Ultrasoon reinigingsapparaatAS ONE Corp.AS22GTU
RotorpompULVAC, Inc.G-100SDegas vloeibaar PDMS
RotorpompULVAC, Inc.GLD-201ASputtern 
MolecuuldiffusiepompULVAC, Inc.VPC-400Sputtern

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Stuetzer, O. M. Ion drag pressure generation. Journal of Applied Physics. 30, 984-994 (1959).
  2. Stuetzer, O. M. Ion drag pumps. Journal of Applied Physics. 31, 136-146 (1960).
  3. Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annual Review of Fluid Mechanics. 1, 111-146 (1969).
  4. Saville, D. A. Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics. 29, 27-64 (1997).
  5. Stein, D., Kruithof, M., Dekker, C. Surface-charge-governed ion transport in nanofluidic channels. Physical Review Letters. 93, 035901(2004).
  6. Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
  7. Schoch, R. B., Han, J., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Reviews of Modern Physics. 80, 839-883 (2008).
  8. Iverson, B. D., Garimella, S. V. Recent advances in microscale pumping technologies: A review and evaluation. Microfluidics and Nanofluidics. 5, 145-174 (2008).
  9. Sparreboom, W., van den Berg, A., Eijkel, J. C. T. Principles and applications of nanofluidic transport. Nature Nanotechnology. 4, 713-720 (2009).
  10. Venkatesan, B. M., Bashir, R. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nanotechnology. 6, 615-624 (2011).
  11. Uehara, S., Shintaku, H., Kawano, S. Electrokinetic flow dynamics of weakly aggregated λDNA confined in nanochannels. Journal of Fluids Engineering. 133, 121203(2011).
  12. Guan, W., Reed, M. A. Electric field modulation of the membrane potential in solid-state ion channels. Nano Letters. 12, 6441-6447 (2012).
  13. Yasui, T., et al. DNA manipulation and separation in sublithographic-scale nanowire array. ACS Nano. 7, 3029-3035 (2013).
  14. Ren, Y., et al. Particle rotational trapping on a floating electrode by rotating induced-charge electroosmosis. Biomicrofluidics. 10, 054103(2016).
  15. Ren, Y., et al. Flexible particle flow-focusing in microchannel driven by droplet-directed induced-charge electroosmosis. ELECTROPHORESIS. 39, 597-607 (2018).
  16. Qian, W., Doi, K., Uehara, S., Morita, K., Kawano, S. Theoretical study of the transpore velocity control of single-stranded DNA. International Journal of Molecular Sciences. 15, 13817-13832 (2014).
  17. Qian, W., Doi, K., Kawano, S. Effect of polymer length and salt concentration on the transport of ssDNA in nanofluidic channels. Biophysical Journal. 112, 838-849 (2017).
  18. Liu, W., et al. A universal design of field-effect-tunable microfluidic ion diode based on a gating cation-exchange nanoporous membrane. Physics of Fluids. 29, 112001(2017).
  19. Liu, W., et al. Control of two-phase flow in microfluidics using out-of-phase electroconvective streaming. Physics of Fluids. 29, 112002(2017).
  20. Osman, O. O., Shintaku, H., Kawano, S. Development of micro-vibrating flow pumps using MEMS technologies. Microfluidics and Nanofluidics. 13, 703-713 (2012).
  21. Osman, O. O., Shirai, A., Kawano, S. A numerical study on the performance of micro-vibrating flow pumps using the immersed boundary method. Microfluidics and Nanofluidics. 19, 595-608 (2015).
  22. Daiguji, H. Ion transport in nanofluidic channels. Chemical Society Reviews Home. 39, 901-911 (2010).
  23. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Assembly of colloidal aggregates by electrohydrodynamic flow: Kinetic experiments and scaling analysis. Physical Review E. 69, 021405(2004).
  24. Ristenpart, W. D., Aksay, I. A., Saville, D. A. Electrohydrodynamic flow around a colloidal particle near an electrode with an oscillating potential. Journal of Fluid Mechanics. 575, 83-109 (2007).
  25. Schoch, R. B., Hann, J., Renaud, P. Effect of the surface charge on ion transport through nanoslits. Physics of Fluids. 17, 100604(2005).
  26. Ross, D., Johnson, T. J., Locascio, L. E. Imaging of electroosmotic flow in plastic microchannels. Analytical Chemistry. 73, 2509-2515 (2001).
  27. Hsieh, S. -S., Lin, H. -C., Lin, C. -Y. Electroosmotic flow velocity measurements in a square microchannel. Colloid and Polymer Science. 284, 1275-1286 (2006).
  28. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Physical Review E. 62, 2238-2251 (2000).
  29. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods, 2nd ed. , John Wiley & Sons. Danvers, MA. 362-363 (2001).
  30. Brask, A., Goranović, G., Jensen, M. J., Bruus, H. A novel electro-osmotic pump design for nonconducting liquids: theoretical analysis of flow rate-pressure characteristics and stability. Journal of Micromechanics and Microengineering. 15, 883-891 (2005).
  31. Takamura, Y., et al. Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices. Electrophoresis. 24, 185-192 (2003).
  32. Zeng, S., Chen, C. -H., Mikkelsen, J. C., Santiago, J. G. Fabrication and characterization of electroosmotic micropumps. Sensors and Actuators B: Chemical. 79, 107-114 (2001).
  33. Bhaumik, S. K., Roy, R., Chakraborty, S., DasGupta, S. Low-voltage electrohydrodynamic micropumping of emulsions. Sensors and Actuators B: Chemical. 193, 288-293 (2014).
  34. El Moctar, A. O., Aubry, N., Batton, J. Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer. Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).
  35. Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. Microfabricated electrohydrodynamic pumps. Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).
  36. Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel. Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).
  37. Yano, A., Doi, K., Kawano, S. Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane. International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).
  38. Doi, K., Yano, A., Kawano, S. Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane. The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).
  39. Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201(2017).
  40. Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions. Micro & Nano Letters. 12, 526-531 (2017).
  41. Doi, K., et al. Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Electrohydrodynamic FlowsIon Exchange MembraneIon Concentration PolarizationAqueous Electrolyte SolutionsElectric Potential ApplicationTracer Particle TrackingHigh Speed CameraPDMS ReservoirGold Bias ElectrodesPIV Analysis

Related Articles