Artykuł metodologiczny

Otrzymywanie mostków elektrohydrodynamicznych z polarnych cieczy dielektrycznych

28.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/51819

⸱

30 września 2014

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

W tym artykule

Informacja o sprostowaniu

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Podsumowanie

Poziome i pionowe elektrohydrodynamiczne mostki cieczowe są prostymi i potężnymi narzędziami do badania interakcji pól elektrycznych o wysokim natężeniu i polarnych cieczy dielektrycznych. Przedstawiono budowę podstawowej aparatury oraz przykłady działania, w tym obrazy termograficzne, dla trzech cieczy (np. wody, DMSO i glicerolu).

Streszczenie

Poziome i pionowe mostki cieczowe są prostymi i potężnymi narzędziami do badania interakcji pól elektrycznych o wysokim natężeniu (8-20 kV/cm) i polarnych cieczy dielektrycznych. Mosty te różnią się od mostów kapilarnych tym, że wykazują rozciągliwość powyżej kilku milimetrów, mają złożone dwukierunkowe wzorce przenoszenia masy i emitują promieniowanie podczerwone inne niż Planck. Wiele popularnych rozpuszczalników może tworzyć takie mostki, a także roztwory o niskiej przewodności i zawiesiny koloidalne. Zachowanie makroskopowe jest regulowane przez elektrohydrodynamikę i zapewnia sposób badania zjawisk przepływu płynów bez obecności sztywnych ścian. Przed pojawieniem się mostka cieczowego można zaobserwować kilka ważnych zjawisk, w tym postępującą wysokość łąkotki (elektrozwilżanie), krążenie płynu w dużej objętości (efekt Sumoto) i wyrzucanie naładowanych kropel (elektrorozpylanie). Interakcja między siłami powierzchniowymi, polaryzacyjnymi i przemieszczeniowymi może być bezpośrednio badana poprzez zmianę przyłożonego napięcia i długości mostka. Pole elektryczne, wspomagane przez grawitację, stabilizuje mostek cieczowy przed niestabilnością Płaskowyżu Rayleigha. Przedstawiono budowę podstawowej aparatury zarówno do orientacji pionowej, jak i poziomej wraz z przykładami operacyjnymi, w tym obrazami termograficznymi, dla trzech cieczy (np. wody, DMSO i glicerolu).

Wprowadzenie

Oddziaływanie pól elektrycznych z materią w stanie ciekłym skutkuje powstaniem szeregu sił rozwijających się w objętości materiału. W rzeczywistych ciekłych układach dielektrycznych niepomijalne gradienty pola oraz geometrie łamiące symetrię prowadzą do wystąpienia wielu pozornie osobliwych efektów. Hertz był jednym z pierwszych, którzy zauważyli ruch obrotowy w dielektrycznych układach ciecz-ciało stałe1. Quincke zaobserwował, że napięcie powierzchniowe na granicy dwóch płynów ulega zmianie nie tylko pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, ale że zmiana ta skutkuje wywieraniem sił na ciało płynu i może być wykorzystana do wywołania ruchu obrotowego2. Armstrong odkrył w 1893 roku lewitujący mostek wodny3, który do niedawna pozostawał enigmatyczną sztuczką, dopóki Fuchs i współpracownicy nie zbadali mechaniki transportu masy i ładunku4,5, co przywróciło poważne zainteresowanie naukowe mechanizmami powstawania tych mostków. Pola elektryczne mają zdolność do unoszenia cieczy przeciwko sile grawitacji, co wykazują prace Pellata nad podnoszeniem się cieczy dielektrycznej między elektrodami z równoległych płyt6. Proces ten wykazuje zależność od częstotliwości i ostatecznie może być opisany za pomocą tensora naprężeń Maxwella7. Jest to istotne przy rozważaniu wzrostu poziomu cieczy związanego z elektrohydrodynamicznymi (EHD) mostkami cieczowymi, które w warunkach prądu zmiennego wykazują zależność od częstotliwości8 podobną do elektrowettingu na dielektryku (EWOD) i dielektroforetycznego (DEP) przepływu masy9. Ponadto stosowanie wysokich potencjałów pól elektrycznych jest istotne w kontrolowaniu rozrywania strumienia cieczy, a oddziaływanie pola elektrycznego z cieczami jest niezbędne do zrozumienia przemysłowo ważnego procesu atomizacji elektrospray10,11.

Zewnętrzne pole elektryczne wpływa nie tylko na energię powierzchniową. W wyniku działania polaryzacji i naprężeń ścinających mogą powstawać wzorce przepływu. Jednym z przykładów jest cyrkulacja cieczy w obecności niejednorodnych pól elektrycznych. W ten sposób w objętości cieczy powstają prądy elektrokonwekcyjne napędzane naprężeniami ścinającymi. Sumoto wykazał, że można zbudować silnik cieczowy, wykorzystując szklany rotor zawierający ciecz polarną lub metalowy pręt zanurzony w niepolarnym dielektryku i umieszczony w niejednorodnym polu elektrycznym12. Późniejsza analiza przeprowadzona przez Okano wykorzystała przybliżenie pola jednorodnego13 do rozwiązania problemu rotacji, co pozwoliło jedynie na jakościowe dopasowanie do wyników eksperymentalnych i wymagało, aby ciecze dielektryczne reagowały jako jedna masa. Inni badacze zajmujący się tym tematem całkowicie przeoczyli istotę problemu, błędnie opisując i analizując efekt Sumoto jako wzrost poziomu cieczy14-16 w odpowiedzi na pole elektryczne, co było pionierską pracą Pellata17. Zrozumienie znaczenia przerwania symetrii powierzchniowej dla procesu lokalizacji ładunku i generowanych naprężeń ścinających18 jest niezbędne w badaniach nad ciekłymi mostkami EHD. Traktat Melchera na temat elektromechaniki kontinuum19 dostarcza pełnych podstaw teoretycznych do opisu cieczy objętościowych i upraszcza opis powierzchni wolnych w granicy izotropowej jednorodności. Znaczenie powierzchni jest jednak oczywiste nawet z punktu widzenia kontinuum, ponieważ utrata symetrii prowadzi do powstania naprężeń ścinających, które mogą generować ruch w objętości. Przyjmując ogólny przypadek dyskretnych, mobilnych objętości płynu, które mogą ulegać polaryzacji i podlegają wynikającej sile reakcji przy zbliżaniu się do powierzchni, oddziaływanie pola elektrycznego można wprowadzić zarówno do równań Naviera-Stokesa20, jak i relacji Bernoulliego7,21,22, aby opisać wielość zjawisk przepływu EHD, w tym mostki cieczowe. Dalsze badania nad mostkami cieczowymi mogą usprawnić szereg technologii opartych na EHD, takich jak druk atramentowy23-25, przetwarzanie materiałów mikro- i nanostrukturalnych26-28, dostarczanie leków29,30, zastosowania biomedyczne31,32 oraz odsalanie wody33.

Opisane tutaj metody umożliwiają badanie procesu tworzenia się cieczowych mostków EHD, które występują w cieczach polarnych, których cząsteczki posiadają trwały moment dipolowy. Przyłożone niejednorodne pole elektryczne powoduje częściową polaryzację populacji dipoli, co prowadzi do lokalnej zmiany przenikalności elektrycznej, a w konsekwencji do dalszego wzmocnienia gradientów pola18,34,35. Polaryzacja ta wywołuje siłę przemieszczenia, która w zależności od względnej intensywności przyłożonego pola generuje szereg różnych odpowiedzi cieczy (patrz Rysunki 4-7), co ostatecznie prowadzi do powstania mostka. W cieczy rozwinie się również przepływ Taylora22,36 wzdłuż powierzchni elektrod, szczególnie w przypadkach, gdy na elektrodach występują ostre krawędzie. Istnieje również możliwość wtryskiwania ładunków na ostrych krawędziach, co jest zgodne z tworzeniem się warstw ładunków heterogenicznych generujących prądy elektrokonwekcyjne w objętości cieczy22, co wiąże system mostka cieczowego z efektem Sumoto12. Podstawowe zależności EHD dla mostków są szeroko opisane w innych publikacjach dla wody i innych cieczy polarnych22,36-38. Podejścia teoretyczne te obarczone są pewnymi ograniczeniami, które należy wziąć pod uwagę przy analizie danych eksperymentalnych. Metoda oparta na tensorze naprężeń Maxwella36 jest niewrażliwa na niejednorodności pola oraz niejednorodności w samym mostku cieczowym. Czyste podejście EHD37 dostarcza definicji stanu ustalonego dla liczby elektrograwitacyjnej i jej związku ze współczynnikiem kształtu mostka; jednak dynamika przepływu i istotne zjawiska przejściowe (np. tworzenie się mostka) nie są przewidywane. Trzy liczby bezwymiarowe są przydatne przy analizie stabilności mostka i zostały tutaj wyprowadzone zgodnie z wcześniejszą publikacją Marína i Lohse37. Liczba elektrokapilarna (CaE) jest definiowana jako stosunek sił elektrycznych do kapilarnych:

Równanie liczby kapilarnej z przenikalnością i wymiarami; wzór z zakresu dynamiki płynów.

gdzie ε0 jest przenikalnością elektryczną próżni, εr względną przenikalnością elektryczną cieczy, Et natężeniem pola elektrycznego w poprzek mostka, γ napięciem powierzchniowym, a ds i dl są rzutami pionowym i poziomym średnicy w celu wyznaczenia średniej średnicy Dm. Liczba Bond (Bo) opisuje równowagę między siłą grawitacji a siłami kapilarnymi:

Wzory na liczbę Bo i objętość; równania na schemacie badań dynamiki płynów.

gdzie g jest przyspieszeniem grawitacyjnym, l jest długością wolnego mostka, a V jest objętością mostka. Zależność między siłami grawitacyjnymi, kapilarnymi i elektrycznymi można wyrazić za pomocą liczby elektrograwitacyjnej GE:

Równania równowagi statycznej; formuła GE; wykorzystywana w obliczeniach i analizach naukowych.

Maksymalna rozciągliwość mostka jest związana z przyłożonym napięciem, podczas gdy prąd płynący przez mostek zależy od pola przekroju poprzecznego, a tym samym od średnicy. Relacje te są ze sobą powiązane, określają objętość mostka, a w konsekwencji definiują obszar stabilności dla każdego działającego mostka cieczowego. Krzywe charakterystyczne dla mostka wodnego przedstawiono na Rysunku 3, który wskazuje dolny próg, poniżej którego przyłożone pole jest zbyt słabe, aby pokonać siły napięcia powierzchniowego, oraz górny próg, powyżej którego masa mostka jest zbyt duża, co prowadzi do wycieku, który dodatkowo zaburza pole i skutkuje przerwaniem mostka.

Bardziej ogólne ujęcie mostków cieczowych w rozpuszczalnikach polarnych19,22 dostarcza łącznych składników ciśnienia działających w obrębie mostka, co pozwala przewidzieć siły sterujące dynamiką przepływu w kontekście zmodyfikowanego równania Bernoulliego z dodanymi do składnika ciśnienia składnikami przemieszczenia elektrycznego. Ponadto, zgodnie z obserwacjami eksperymentalnymi dotyczącymi kierunku pompowania w stanie równowagi oraz emisji termicznej, uwzględniono relację Onsagera dla stabilności jonów24.

Zbadano szereg cieczy polarnych, w tym wodę, niższe alkohole alifatyczne (np. metanol), polialkohole (np. glicerol), dimetylosulfotlenek (DMSO) oraz inne polarne związki organiczne (np. dimetyluformamid). Niepolarne ciecze dielektryczne (np. heksan) nie wykazują tendencji do tworzenia mostków. Dielektryczne ciecze zdolne do tworzenia mostków, zbadane do tej pory8,22,37, mieszczą się w ściśle określonej grupie parametrów fizycznych, które stanowią dobry punkt wyjścia do dalszych eksperymentów: niska przewodność (σ < 5 μS/cm), umiarkowana statyczna przenikalność względna (ε = 20-80) oraz umiarkowane lub wysokie napięcie powierzchniowe (γ = 21-72 mN/m). Co ciekawe, w takich mostkach funkcjonuje szeroki zakres lepkości (η = 0.3-987 mPa·sec). W cieczach o dostatecznie wysokiej lepkości, takich jak glicerol, możliwe jest wyciągnięcie mostka bezpośrednio z objętości cieczy (patrz Rycina 5), co stanowi istotne ogniwo łączące siły dielektroforetyczne z mostkami cieczowymi. Roztwory jonowe (np. NaCl(aq)) silnie zaburzają tworzenie mostków, a w poprzednich badaniach40 wykazano, że zwiększają one temperaturę mostka, zmniejszają stosunek długości do przyłożonego napięcia oraz ograniczają rozciągliwość. Zachowanie to przypisuje się głównie efektowi ekranowania ładunków przez rozpuszczone jony, a także zwiększonemu przewodzeniu prądu, co osłabia sprzężenie między elementami objętości cieczy a polem elektrycznym.

Na poziomie kontinuum zjawiska EHD pojawiają się po prostu dlatego, że niezbędne człony ciśnienia towarzyszące elektrostrykcji występują jedynie na granicy faz ciekłych21. Ponadto istnieje związek między stabilnością ciekłych mostków EHD a stabilnością granic faz w systemie. W przypadku eksperymentów w warunkach zredukowanej grawitacji41 zwiększająca się powierzchnia prowadzi do powstania siły, która rozrywa mostek. Podobnie, jeśli powierzchnia jest zbyt ograniczona lub pole powierzchni styku małe, w mostku prawdopodobnie rozwiną się niestabilności. Można to zilustrować na przykładzie mostków zasilanych przez rurki lub w przypadku mostków pionowych, w których jedna elektroda jest wyciągana w górę z powierzchni – powstałe mostki są mniej stabilne podczas długotrwałej pracy, ponieważ brakuje im charakterystycznej dynamiki przepływu występującej w sytuacji, gdy oba zbiorniki mają dużą wolną powierzchnię. Mostki, których połączenia ze zbiornikiem cieczy są ograniczone rurkami, wykazują zwiększoną akumulację termiczną i spadek napięcia powierzchniowego. Typowe jest samoistne tworzenie się granicy faz z powietrzem wewnątrz rurki. Stan ten ogranicza zarówno maksymalną rozciągliwość, jak i średni czas życia w przypadku ograniczonych ciekłych mostków. Otwarte wodne mostki powierzchniowe mogą zostać rozciągnięte do długości 35 mm przy 35 kV, podczas gdy przy takim napięciu przyspieszającym żaden mostek nie przetrwa w warunkach ograniczenia, ponieważ ciecz przechodzi preferencyjnie w tryb elektrosprayu. Podobnie wodne mostki o wolnej powierzchni wykazują stabilność sięgającą 10 hr w kontrolowanych warunkach, podczas gdy w systemach zasilanych rurkami czas życia jest zazwyczaj krótszy niż 2 hr.

Zjawiska EHD są zazwyczaj rozważane jedynie na poziomie kontinuum. Przeprowadzono ograniczoną liczbę badań nad podstawami molekularnymi mostków cieczowych. Badanie Ramanowskie42 z wykorzystaniem pionowych mostków AC zbadało międzycząsteczkowe pasmo rozciągające OH w porównaniu do wody w objętości. Wykazano, że niektóre zmiany w profilach rozproszenia po przyłożeniu pola elektrycznego mają pochodzenie strukturalne. Wykorzystując ultraszybką spektroskopię pompowej i sondującej w średniej podczerwieni na pływającym mostku wodnym43, stwierdzono, że czas życia wibracyjnego drgań rozciągających OH cząsteczek HDO zawartych w mostku wodnym HDO:D2O jest krótszy (630 ± 50 fsec) niż dla cząsteczek HDO w objętościowym HDO:D2O (740 ± 40 fsec), podczas gdy w przeciwieństwie do tego, dynamika termalizacji następująca po relaksacji wibracyjnej jest znacznie wolniejsza (1,500 ± 400 fsec) niż w objętościowym HDO:D2O (250 ± 90 fsec). Te różnice w dynamice relaksacji energii silnie wskazują, że mostek wodny i woda w objętości różnią się w skali molekularnej. Co więcej, badania nad emisją podczerwieni pływającego mostka wodnego ujawniły cechę nietermalną, która może wynikać z przejścia ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego pasma przewodnictwa protonowego44. Inne, nowsze badanie Ramanowskie wskazało, że w mostkach wodnych DC występuje rozkład radialny w widmach, który świadczy o względnej różnicy w lokalnym pH między rdzeniem a zewnętrzną powłoką mostka45. Rozkład radialny charakterystyk fizycznych wewnątrz cieczowych mostków EHD jest dodatkowo potwierdzony eksperymentami nieelastycznego rozpraszania UV46, które dają sprzeczne rozkłady radialne w profilach temperatury i gęstości, co można wyjaśnić albo gradientem stopni swobody molekularnych, albo obecnością fazy wtórnej w postaci nanobąbelków. Ta ostatnia koncepcja nie znajduje potwierdzenia w badaniu rozpraszania rentgenowskiego pod małym kątem47, podczas gdy koncepcja utrudzonego obrotu (i.e. libracji) jest wspierana przez widma emisji podczerwieni44. Preferowany kierunek przepływu w cieczowych mostkach EHD wynika ze zmian w kinetyce autodysocjacji. Zgodnie z pracami Onsagera, odkrycie to daje nadzieję na powiązanie zjawisk na poziomie molekularnym i kontinuum22. Dalszy dowód na molekularne podstawy zjawisk EHD znajduje się w obserwacji, że emisja termiczna z kropli dielektryka maleje lokalnie w odpowiedzi na zwiększające się pole elektryczne i osiąga minimum tuż przed powstaniem mostka (patrz Rycina 7).

Kładki cieczowe EHD dają możliwość zbadania oddziaływań między siłami w wielu skalach długości, a szczególnym celem niniejszej pracy jest opracowanie znormalizowanej metody wytwarzania tego rodzaju kładek w wielu cieczach o dowolnej orientacji względem grawitacji, co umożliwia wystąpienie pełnego zestawu charakterystycznych zjawisk omówionych powyżej.

Protokół

1. Ogólne zalecenia

  1. Podczas przeprowadzania eksperymentu należy nosić jednorazowe, bezpudrowe rękawice, aby zapobiec zanieczyszczeniu rąk potem lub olejem.
  2. Wyczyść wszystkie naczynia szklane, elektrody i wszelkie inne części, które mają kontakt z badaną cieczą, zwracając szczególną uwagę, aby zapobiec wprowadzeniu zanieczyszczeń, które mogą rozpuścić się w fazie ciekłej.
  3. Za pomocą miernika przewodności zmierz przewodność elektryczną cieczy, która zostanie użyta w eksperymencie i potwierdź, że wynosi ona ≤1 μS/cm.

2. Konfiguracja eksperymentalna

  1. Poziomy system mostowy (rysunek 1a)
    1. Umieść parę platform o regulowanej wysokości na równej, nieprzewodzącej powierzchni. Zamocuj jedną platformę na miejscu, a drugą zamontuj na zmotoryzowanym stoliku do translacji liniowej o minimalnym skoku 25 mm.
    2. Przymocuj płyty izolacyjne (Rysunek 1a, część j) do górnej powierzchni regulowanych platform. Używaj płyt izolacyjnych, które są zbyt duże, tak aby wystawały z platform na co najmniej 10 mm ze wszystkich stron. Używaj popularnych materiałów, takich jak teflon, akryl lub szkło okienne. Wybierz grubość, aby zapobiec przebiciu przy planowanym maksymalnym napięciu.
    3. Podłącz zasilanie wysokiego napięcia (Rysunek 1a, część m) zgodnie z instrukcjami producenta.
    4. zaciski krokodylkowe do końca zarówno przewodu wysokiego napięcia, jak i przewodu uziemiającego.
    5. Zacisnąć jeden koniec ramienia nośnego zbudowanego ze sztywnego materiału izolacyjnego na statywie pierścieniowym z prętem izolacyjnym wystającym poziomo ponad platformy izolacyjne.
    6. Zamontuj przewody uziemiające i wysokiego napięcia do ramion nośnych za pomocą kilku owijek taśmy izolacyjnej, nylonowych opasek drucianych lub innych odpowiednich środków, tak aby zaciski krokodylkowe wystawały w dół ponad izolowane platformy.
    7. Przypnij jedną elektrodę platynową (Rysunek 1a, część k) do każdego z dwóch zacisków krokodylkowych.
    8. Ustaw ramiona nośne tak, aby przewód wysokiego napięcia znajdował się nad stałą platformą, a przewód uziemiający znajdował się nad ruchomą platformą.
  2. System mostów pionowych (rysunek 1b)
    1. Przymocuj nieprzewodzący zacisk do liniowego stolika translacyjnego tak, aby zacisk mógł przesunąć się o co najmniej 25 mm. Użyj tego zacisku do przytrzymania naczynia (Rysunek 1b, część i), które będzie podłączone do przewodu uziemiającego.
    2. Zamontuj ten zespół na pionowej sztywnej konstrukcji wsporczej.
    3. Zamocuj podobny nieprzewodzący zacisk w linii i poniżej wspornika na stoliku translacji liniowej. Użyj tego zacisku do przytrzymania naczynia, które będzie podłączone do przewodu wysokiego napięcia.
  3. Zrób "martwy drążek" (patrz rysunek 1c dla ilustracji)
    1. Zdobądź kawałek nieprzewodzącego sztywnego materiału, takiego jak szklany lub plastikowy pręt o długości 30-40 cm (rysunek 1c, część p).
    2. Przymocuj kawałek przewodzącego metalu o długości 10-15 cm (Rysunek 1c, część q) do jednego końca pręta za pomocą kilku owijek taśmy izolacyjnej (Rysunek 1c, część r) nałożonych w krzyżowy sposób lub innego materiału mocującego.
    3. Użyj "martwego drążka", aby zmostkować elektrody wysokiego napięcia i uziemienia z metalowym końcem po wyłączeniu zasilania, aby upewnić się, że obwód jest rozładowany przed obsługą sprzętu.

3. Działanie mostków cieczowych

  1. Poziome mostki cieczowe
    1. Napełnij każde naczynie (Rysunek 1a, część i) wystarczającą ilością płynu, aby doprowadzić powierzchnię do 1-5 mm od dziobka zlewki lub krawędzi. W przypadku naczyń (o średnicy 60 mm) użytych w tej demonstracji należy użyć 67 g płynu do wody, 74 g do DMSO lub 84,4 g do glicerolu.
    2. Umieść 2 naczynia na platformie izolacyjnej tak, aby fizycznie stykały się ze sobą w jednym miejscu, takim jak wylewki, ale prosta krawędź ścienna również będzie działać.
    3. Dostosuj wysokość platformy tak, aby ciecz stykała się tylko z platynową elektrodą, a nie z zaciskiem krokodylkowym lub drutem. Zwróć uwagę na wyrównanie w pionie, tak aby powstały most był poziomy poziomo.
    4. Umieść elektrody platynowe w naczyniach wypełnionych cieczą tak, aby znajdowały się co najmniej 15 mm od miejsca kontaktu, w którym utworzy się mostek. UWAGA: Zazwyczaj elektrody umieszcza się między środkiem naczynia a ścianą najbardziej oddaloną od miejsca, w którym oba naczynia się stykają.
  2. Pionowe mosty cieczowe
    1. Użyj dwóch czystych, zamkniętych naczyń z jednym portem cieczy, jak pokazano na rysunku 1b, część i.
    2. Napełnij każde naczynie badaną cieczą, aby nie było uwięzionych pęcherzyków powietrza.
    3. Włóż elektrodę (Rysunek 1b, część k) do każdego naczynia i zamknij nakrętkę, aby utrzymać płyn na miejscu.
    4. Zamontować dwa zamknięte naczynia w nieprzewodzących zaciskach (patrz 2.2) tak, aby otwory były skierowane do siebie.
    5. Dodaj kilka kropel płynu do otworu dolnej rurki tak, aby zakrzywiona powierzchnia płynu wystawała kilka milimetrów ponad szklaną krawędź.
    6. Sprowadź górne naczynie w dół tak, aby po prostu stykało się z dolnym, tworząc mały mostek kapilarny.
    7. Podłącz wyjście wysokiego napięcia zasilacza (Rysunek 1b, część m) do dolnego (stacjonarnego) zacisku elektrody, a masę do górnego (tłumaczącego) naczynia.
  3. Operacje wysokiego napięcia
    1. Uwagi ogólne
      1. Przed kontynuowaniem upewnij się, że wszystkie powierzchnie są suche i że na platformach izolacyjnych nie ma kałuż cieczy, folii ani kropel.
      2. Przed włączeniem zasilania do eksperymentu upewnij się, że nie ma zwarć i że nie ma ścieżek uziemienia, które mogą spowodować kontakt personelu lub sprzętu z powierzchniami pod napięciem. Upewnij się, że postępujesz zgodnie ze wszystkimi procedurami i przestrzegasz ostrzeżeń wydanych przez producenta zasilacza wysokiego napięcia. W razie wątpliwości należy zasięgnąć porady wykwalifikowanego personelu ds. bezpieczeństwa elektrycznego.
      3. Ustaw biegunowość zasilacza (jeśli jest wybierana) przed włączeniem zasilania. Zazwyczaj należy używać biegunowości napięcia dodatniego, ponieważ zapewnia to bardziej stabilne mostki. UWAGA: Można również zastosować ujemną polaryzację, ale ma tendencję do wywoływania wyraźnych efektów ładunku kosmicznego, które mogą znacząco wpływać na właściwości fizyczne zarówno cieczy dielektrycznej48, jak i wpływać na lokalną gęstość ładunku w obszarze eksperymentalnym ze względu na różnicę funkcjonalną w zatapianiu, a nie pozyskiwaniu elektronów o wysokich potencjałach, ponieważ nadmiar ładunku może zostać rozpylony na otaczające izolacyjne struktury wsporcze.
      4. Otwórz limit prądu w zasilaczu tak, aby dostarczyć nie więcej niż 5-6 mA prądu.
    2. Wybierz jeden z dwóch profili napięcia, które można zastosować — rampa lub stopień.
      1. Użyj rampy napięcia przy pierwszym uruchomieniu, a charakterystyka wydajności cieczy nie jest jeszcze znana.
        1. Zmniejsz limit napięcia w zasilaczu, aby zapewnić 0 kV.
        2. Włącz wyjście w zasilaczu i powoli zacznij zwiększać limit napięcia z szybkością około 250 V/s.
        3. Obserwuj napięcie, przy którym następuje zapłon mostka, jest to przybliżone napięcie progowe zapłonu (Vt).
      2. Użyj kroku napięcia, aby szybko podać napięcie do systemu.
        1. Ustawić limit napięcia zasilania na żądaną wartość powyżej progu zapłonu, który został określony za pomocą rampy napięcia dla badanego układu cieczy (patrz 3.3.2.1.3).
        2. Włącz wyjście w zasilaczu. UWAGA: Napięcie krok może spowodować iskrzenie łukowe i wyrzucanie kropel i może zająć kilka sekund, zanim utworzy się stabilny most. Łuk łukowy wytwarza ozon i nadtlenek, co powoduje zwiększoną przewodność cieczy, jeśli pozwoli się im utrzymywać dłużej niż kilka sekund. Zaleca się wymianę cieczy na świeży materiał, jeśli problemem jest wyładowanie łukowe.
    3. Ustabilizuj mostek po zapłonie.
      1. Potwierdź zapłon mostka, obserwując stały strumień cieczy między dwoma naczyniami. UWAGA: Występuje to zwykle w zakresie 8-10 kV i towarzyszy mu przewodzenie prądu w zakresie 250-500 μA w zależności od użytej cieczy.
      2. Dostosuj mostek do przedłużenia, zwiększając napięcie do 10-15 kV przy poborze prądu ~ 1,000 μA. UWAGA: rzeczywista wartość będzie zależeć od użytej cieczy.
      3. Przedłużyć mostek na odległość około 1 mm na każde przyłożone napięcie 1 kV, np. 15 mm dla napięcia 15 kV. W razie potrzeby dostrój mostek dalej w zależności od wymagań eksperymentu. UWAGA: Stabilny most może istnieć przez wiele godzin.
  4. Procedury zamykania
    1. Zgaś mostek, wyłączając wyjście na zasilaczu wysokiego napięcia. Poczekaj kilka sekund, aż kondensatory zasilające się rozładują, a odczyt napięcia spadnie do zera.
    2. Użyj "martwego pręta" skonstruowanego w rozdziale 1.3, aby zewrzeć uchwyty elektrod przed przystąpieniem do obsługi jakichkolwiek wcześniej zasilanych części.

4. Obrazowanie

  1. Projekcja prążków
    1. Przygotuj binarną płytkę z frędzlami, drukując czarne paski na przezroczystej folii i przymocuj ją do opalizującego ekranu dyfuzora. W tym przykładzie użyj płyty z frędzlami w formacie A4 (tj. 297 mm x 210 mm).
    2. Umieść płytkę z frędzlami przed podświetleniem, tak aby frędzle były rzutowane na cały zestaw doświadczalny.
    3. Nagrywaj zdjęcia lub filmy przedstawiające wzór frędzli za pomocą dowolnej liczby aparatów cyfrowych.
    4. Śledź zmiany na powierzchni cieczy, jak również zmiany w długości ścieżki optycznej cieczy podpływającej, analizując obrazy zarejestrowane w 4.1.3. UWAGA: Analiza ilościowa zaobserwowanych zmian jest przeprowadzana za pomocą oceny marginesów przy użyciu różnych pakietów oprogramowania, takich jak ogólnodostępny program IDEA49. Szczegółowe informacje i rozważania związane z analizą obrzeży omówiono w innym miejscu49-51.
  2. Obrazowanie termograficzne
    1. Ustaw zakres dynamiczny kamery termowizyjnej zgodnie z instrukcjami producenta. UWAGA: Zazwyczaj dwupunktowa kalibracja, która obejmuje oczekiwany zakres temperatur, jest wystarczająca, aby zapewnić dobrą rozdzielczość termiczną. Większość mostków cieczowych pracuje w zakresie temperatur od 20-50 °C.
    2. Wykonać poprawkę emisyjności i kalibrację temperatury, obrazując otwartą powierzchnię objętości badanej cieczy w temperaturach odpowiednich dla eksperymentu.
      1. Napełnić naczynie identyczne z tym, które zostało użyte w konfiguracji doświadczalnej badaną cieczą w temperaturze pokojowej.
      2. Zmierz temperaturę cieczy za pomocą zanurzeniowej sondy termologicznej, takiej jak termopara typu K.
      3. Nagraj obraz cieczy w podczerwieni.
      4. Podnieś temperaturę cieczy do temperatur oczekiwanych w mostku za pomocą płyty grzejnej lub kuchenki mikrofalowej. UWAGA: Zwykle nie jest to więcej niż 10 °C poniżej temperatury wrzenia cieczy (np. 90 °C dla wody).
      5. Powtórzyć kroki 4.2.2.2 i 4.2.2.3 dla cieczy o podwyższonej temperaturze.
    3. Ustaw kamerę nieco powyżej mostu poziomego i wypoziomuj za pomocą mostka pionowego, aby zmaksymalizować rejestrowaną powierzchnię. UWAGA: ze względu na silną absorpcję średnio- i długofalowego promieniowania podczerwonego przez większość cieczy polarnych, widoczny będzie tylko rozkład temperatury powierzchni.
    4. Nagrywaj podczerwień systemu mostka, zaczynając przed włączeniem wyjść na zasilaczu i kontynuując do momentu zakończenia eksperymentu lub zapełnienia bufora kamery.

Wyniki

Mostki cieczowe elektrohydrodynamiczne różnią się od kapilarnych mostków cieczowych trzema właściwościami: 1) przepływem, 2) rozciągliwością, 3) emisją termiczną; porównanie przedstawiono na Rysunku 2. Przed przyłożeniem napięcia między dwoma naczyniami często można zaobserwować małe mostki kapilarne, gdy poziom cieczy zrównuje się z wylotami w konfiguracji poziomej. Są one nieuniknione w konfiguracji pionowej, gdy odległość rozdzielenia jest mniejsza niż kilka milimetrów.

Napięcie można przykładać w sposób rampowy (patrz 3.4.2.1 w protokole) lub skokowy (patrz 3.4.2.2 w protokole). Napięcia poniżej wartości progowej (Vt) nie spowodują powstania mostka EHD, ale mogą wywołać szereg innych zjawisk, takich jak ekspansja objętości cieczy (Rycina 4), ruch linii styku elektrody z cieczą w górę (Rycina 5), rotacja i cyrkulacja całej objętości cieczy (Rycina 6), elektrorozpylanie oraz formowanie się dżetu (Rycina 7). Vt jest właściwością badanej cieczy dielektrycznej, zależy od stężenia i rodzaju obecnych składników, a także od zastosowanej atmosfery osłonowej. Próg zapłonu jest również funkcją odległości między naczyniami. Choć zapłon mostka jest możliwy przy odstępach wynoszących wiele milimetrów, wymagane jest wtedy wyższe napięcie przyłożone, a przed utworzeniem stabilnego połączenia cieczowego można zaobserwować dłuższy okres spoczynku z gwałtowniejszym elektrorozpylaniem. Na przykład w przypadku zbiorników wypełnionych wodą rozdzielonych o 5 mm, Vt wzrasta do 17-20 kV lub więcej.

Po przekroczeniu Vt kombinacja łukowania i rozpryskiwania wywołuje zapłon (ryciny 8a, 9a), po czym następuje natychmiastowe utworzenie cienkiego mostka o średnicy <1 mm. Po ustanowieniu się mostka zaczyna płynąć prąd, co prowadzi do pęcznienia mostka (ryciny 8b, 9b) do średnicy 3-5 mm, w zależności od warunków. W wielu z dotychczas badanych cieczy czas od zapłonu mostka do jego pęcznienia wynosi od 10 do 500 msec i jest w dużej mierze funkcją przyłożonego napięcia, odległości rozdzielenia oraz lepkości cieczy8,22,37.

W mostkach poziomych kierunek przepływu zależy od konkretnych właściwości cieczy. Zazwyczaj przepływ wypadkowy biegnie od anody w stronę katody, gdy polaryzacja wysokiego napięcia jest dodatnia. Podczas rozszerzenia (Rycina 8c) średnica będzie fluktuować zazwyczaj przy niskich częstotliwościach w zakresie 1-10 Hz. Występują również oscylacje o wyższej częstotliwości, które są widoczne jako fale powierzchniowe. Optycznie aktywne fale gęstości są widoczne w korpusie mostka podczas podświetlania od tyłu binarnym wzorem prążkowym. Specyficzna funkcja odpowiedzi układu zależy zarówno od systemu cieczy, jak i od charakterystyki zasilacza.

Mostki pionowe są w wielu aspektach podobne do mostków poziomych; jednak nie wykazują one oznak silnego przepływu masy i zazwyczaj mają wyraźny kształt przypominający amforę. Zwiększenie napięcia sterującego prowadzi do uzyskania bardziej cylindrycznej kolumny cieczy, a rozciągliwość (Rycina 9c) jest nieco większa niż w przypadku mostków poziomych (np. 1,25 mm/kV dla wody). Podobnie jak mostki poziome, mostki pionowe mogą tworzyć się bez bezpośredniego kontaktu między ciałami cieczy przed przyłożeniem napięcia. W takim przypadku obserwuje się formowanie stożka Taylora na górnej kropli wiszącej. Rozpylanie to rozszerza się w dół, tworząc stabilny strumień, który szybko pęcznieje po kontakcie z dolną kroplą osiadłą.

W przeciwieństwie do elektrosprayów, mostki EHD w polarnych cieczach dielektrycznych rozpraszają energię w postaci promieniowania podczerwonego (IR) zarówno termicznego, jak i nietermicznego44. Rejestracja termograficzna mostków cieczowych (ryciny 7-10) jest użytecznym narzędziem do badania dynamiki przepływu powierzchniowego, a także do ilościowego określania rozkładu energii aktywnej w podczerwieni in operando. Emisja termiczna wynika w dużej mierze z ogrzewania omowego i stanowi zatem czułą miarę stabilności jonów, ponieważ różne ciecze mają tendencję do różnego nagrzewania się przy tej samej dyssypacji mocy. Na przykład mostki wodne (rycina 9c) zazwyczaj pracują w temperaturze 35-50 °C, a mostki alkoholowe pracują o kilka stopni chłodniej ze względu na zarówno niższą prężność par, jak i różnice w stabilności jonów39. Innym przykładem tego powiązanego zachowania jest aprotyczne DMSO, które charakteryzuje się niską prężnością par i tworzy jony ujemne migrujące w kierunku przeciwnym do większości innych cieczy polarnych. Mostki DMSO mają tendencję do pracy w temperaturach bliskich 100 °C (rycina 10a). Lepkość i pojemność cieplna również odgrywają istotną rolę w sposobie rozpraszania energii termicznej w układzie, co widać po lokalnym nagrzewaniu występującym w mostkach glicerynowych (rycina 10b).

Zerwanie mostka może następować na kilka sposobów. Dojdzie do niego prawdopodobnie w sytuacji, gdy mostek zostanie rozciągnięty zbyt mocno w stosunku do napięcia roboczego lub gdy przyłożone napięcie zostanie obniżone poniżej wartości niezbędnej do utrzymania mostka o danej długości, zgodnie z przewidywaniami dla liczby elektrograwitacyjnej. Zerwanie zwykle przebiega poprzez redukcję średnicy (Rysunki 8d, 9d) aż do osiągnięcia wartości krytycznej i wystąpienia niestabilności Plateau–Rayleigha, które doprowadzą do zerwania mostka przypominającego ligand (Ryciny 8e, 9e) w ciąg kropel, które będą migrować w polu elektrycznym. Inny tryb przerwania mostka, występujący zazwyczaj tylko w konfiguracji poziomej, pojawia się, gdy średnica mostka staje się zbyt duża, co skutkuje zwiększeniem masy i powstaniem strumienia wody skierowanego w dół. Zjawisko to może prowadzić do oscylacji mostka, wywołując efekt „kołysania”, który może ponownie spowodować destabilizację mostka i rozpad na krople. Mostki o dużej średnicy mogą powstawać w wyniku nadmiernego ciśnienia hydrostatycznego w jednym z naczyń spowodowanego przepływem jednokierunkowym, co prowadzi do przelewania; alternatywnie, zwiększenie napięcia do wysokich wartości przy niewielkim odstępie spowoduje powstanie bardzo szerokiego mostka lub „wodnej autostrady”. Takie mostki o dużej średnicy mogą również ulec zniszczeniu poprzez zapadnięcie się w jedną dużą kroplę, która opada pod wpływem grawitacji.

Układy równowagi statycznej: konfiguracje pozioma i pionowa, pręt uziemiający; wyświetlacz napięcia urządzenia.
Rysunek 1. Podstawowy sprzęt do eksperymentów z EHD mostkami cieczowymi. Schematyczne przedstawienie typowego poziomego (a) i pionowego (b) układu eksperymentalnego do tworzenia EHD mostków cieczowych. Niektóre detale mechaniczne, takie jak pasy montażowe i wsporniki elektrod, zostały pominięte dla przejrzystości. Niezbędnymi elementami są naczynia z cieczą (i), platformy izolacyjne lub uchwyty (j), elektrody (k) oraz zasilacz wysokiego napięcia (m). Do bezpiecznego rozdzielenia dwóch naczyń po utworzeniu mostka zaleca się stosowanie linearnych stołów przesuwnych. Pręt uziemiający pokazany na panelu (c) składa się z kawałka nieprzewodzącego sztywnego materiału (p), przewodzącego metalowego pręta (q) oraz kilku warstw taśmy izolacyjnej naklejonej na krzyż lub innego materiału mocującego (r). Metalowy koniec służy do zwarcia dwóch elektrod po zakończeniu eksperymentów, aby upewnić się, że obwód został rozładowany przed dotknięciem sprzętu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Tworzenie mostka cieczowego przy różnych napięciach (0kV do 8kV), sekwencja eksperymentów mikrofluidycznych.
Rysunek 2. Porównanie kapilarnych i EHD wodnych mostków. Poziomy mostek kapilarny może pokonać jedynie niewielką szczelinę o szerokości 1,5 mm (a), podczas gdy poziome mostki EHD przy trzech różnych napięciach: 4 kV (b), 6 kV (c) i 8 kV (d) bez problemu pokonują szczelinę. Należy zauważyć, że mostki EHD przepływają nad wylotami, podczas gdy mostek kapilarny jest zawieszony pomiędzy nimi. Podobnie pionowy mostek kapilarny (e) ma węższą średnicę w najcieńszym miejscu (~1,5 mm dia.) i może zostać rozciągnięty jedynie do ~3,3 mm, w przeciwieństwie do pionowych mostków EHD, które są rozciągliwe. Przedstawiono trzy mostki EHD zasilane napięciem 4 kV (f), 6 kV (g) i 8 kV (h) przy tej samej odległości rozdzielenia co w przypadku mostka kapilarnego. Wyższe napięcie zwiększa średnicę przewężenia mostka oraz prędkość przepływu i powoduje intensywniejsze nagrzewanie w wyniku zwiększonego rozpraszania mocy w mostku. Przy wyższych napięciach obserwuje się również zwiększone tworzenie się pęcherzyków, ponieważ rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury. Pasek skali na wszystkich klatkach wynosi 1 mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Krzywe charakterystyk pływającego mostka wodnego, wykres natężenia prądu w funkcji napięcia, układ doświadczalny.
Rycina 3. Krzywe charakterystyk dla ciekłego mostka wodnego. Przedstawiono zależność natężenia prądu od napięcia dla ciekłych mostków wodnych przy odległościach rozdzielenia wynoszących 0, 5, 10, 15 mm. Obszar stabilności ograniczony jest dolnym progiem, poniżej którego mostek cieczowy nie powstanie (patrz. zdjęcie wstawkowe w lewym dolnym rogu), oraz górnym progiem, powyżej którego mostki stają się niestabilne (zdjęcia wstawkowe 1-4). Dla większości mostków o mierzalnej rozciągłości (t.j. ≥ 5 mm) całkowita utrata mocy mieści się w przedziale od 10 do 20 watów. Zerwanie mostka powyżej górnego progu często przebiega według sekwencji zdarzeń: od normalnej pracy (wstawka 1), przez wyciek (wstawka 2), ugięcie (wstawka 3), aż do ostatecznego zerwania (wstawka 4). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza deformacji powierzchni przy 0 kV i 15 kV; schemat pokazuje zmianę wysokości powierzchni.
Rysunek 4. Ekspansja objętościowa. Cała powierzchnia cieczy w dwóch naczyniach podnosi się w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne, co jest widoczne dzięki rzutowanemu binarnemu układowi prążków. Dwa teflonowe zlewki wypełnione wodą są obrazowane z rzutowanym układem prążków przy dwóch różnych przyłożonych napięciach a) 0 kV i b) 15 kV. Zmiana rzutowanych prążków (panel c) jest analizowana za pomocą oprogramowania IDEA33, które wykorzystuje filtrowaną transformatę Fouriera do przeliczenia zmian częstotliwości modulacji prążków na względny wzrost wysokości. Niejednorodność wykrytego przesunięcia wynika z niskiej częstotliwości przestrzennej rzutowanych prążków oraz artefaktów związanych z metodą rozwijania fazy opartą na dyskretnej transformacie kosinusowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Siły napięcia powierzchniowego: obiekty zawieszone w wodzie, zdjęcia eksperymentalne, demonstracja równowagi statycznej.
Rycina 5. Dielektroforeza i elektrowetting. Odpowiedź elektromechaniczna glicerolu na elektryczne pola o wysokim potencjale. Dwie elektrody platynowe zanurzone w bezwodnym glicerolu przy 0 kV (a) oraz 19 kV (b) pokazują, jak ciecz jest silnie wypychana w górę. W modyfikacji eksperymentu Pellata uniesiona objętość zostaje całkowicie oddzielona od zbiornika bazowego, co prowadzi do powstania mostka EHD z glicerolu utrzymywanego między dwiema elektrodami (c). Podobnie, w przypadku elektrod w kształcie prętów (d), linia styku przesuwa się w górę elektrody po przyłożeniu 15 kV (e); podniesienie elektrod wyciąga ciało cieczy w górę, tworząc stożek ścięty (f), co wykazuje zwiększone zwilżanie generowane przez silne pola. Paski skali wynoszą 5 mm. Klatki pochodzą z materiałów wideo uzupełniających S1 (a-c) i S2 (d-f). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Proces dyfuzji termicznej w cieczy, poklatkowo, obrazy termiczne, analiza zmian temperatury.
Rycina 6. Efekt Sumoto zwizualizowany w podczerwieni. Sekwencja obrazów w podczerwieni pojedynczego naczynia z gliceryną w niejednorodnym polu elektrycznym, wytworzonym za pomocą prostego układu elektrod punktowo-płaskich, pokazanego w świetle widzialnym na panelu (a). Napięcie (19 kV DC) zostaje przyłożone w t = 0 s. Lokalnego chłodzenia powierzchni występuje pod elektrodą punktową (t = 15 s). To lokalne chłodzenie rozprzestrzenia się po powierzchni i tworzy niejednorodności; generowanie siły rotacyjnej jest początkowo niewielkie i wymaga około 75 s, aby stać się widoczne na powierzchni. Czas między klatkami wynosi 15 s. Pasek skali to 10 mm. Klatki z dodatkowego filmu S3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Stożek Taylora, ewolucja kropli osiadłej; sekwencja eksperymentalna; analiza przepływu zależna od temperatury.
Rycina 7. Chłodzenie przed zapłonem w pionowym systemie mostkowym z odległością separacji 10 mm. Przedstawiono zbliżenie górnego stożka Taylora i dolnej kropli osiadłej w układzie pionowego mostka wodnego podczas rampy napięcia. Obrazy wykonano w podczerwieni długofalowej i przedstawiają emisję powierzchniową. Na obrazach widoczne jest stałe chłodzenie i wydłużanie (a-d) obu powierzchni cieczy wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, przy czym obie osiągają temperaturę minimalną o 1-2 °C niższą od początkowej (a) tuż przed wyrzutem strumienia (e) z górnego stożka Taylora. Dolna kropla cofa się przed naładowanym strumieniem, lecz szybko łączy się z nim po kontakcie (e-f); emisja gwałtownie wzrasta w miarę ustanawiania się stabilnego mostka cieczowego EHD (g). Obniżenie temperatury potwierdzono za pomocą światłowodowej sondy termicznej. Dolna kropla osiadła jest o ok. 2 °C cieplejsza od górnego stożka z powodu wcześniejszej pracy układu; zazwyczaj naczynie wysokiego napięcia osiąga nieco wyższą temperaturę. Klatki z filmów uzupełniających S4 (górny stożek) i S5 (dolna kropla). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Sekwencja dyspersji płynu, obrazowanie cryo-SPM, skala 10 mm, badanie efektu gradientu temperatury.
Rycina 8. Obrazy termograficzne poziomego mostka wodnego od momentu zapłonu do wygaśnięcia. Reprezentatywna seria kompozytowych obrazów w średniej (3,7-5,0 µm) i długiej (8,0-9,4 µm) podczerwieni charakteryzująca etapy pracy poziomych mostków cieczowych przedstawione dla wody: (a) zapłon, (b) ekspansja, (c) rozciąganie, (d) stabilizacja, (e) zerwanie. W tej sekwencji obrazów mostek został wygaszony poprzez odłączenie zasilania systemu. Klatki z filmu uzupełniającego S6. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Sekwencja obrazowania termicznego pokazuje formowanie się mostka cieczowego; gradient temperatury od -20°C do 50°C.
Rycina 9. Obrazy termograficzne pionowego mostka wodnego od zapłonu do wygaszenia. Reprezentatywna seria obrazów w podczerwieni długofalowej (7,5-9,0 µm) charakteryzująca etapy operacyjne dla pionowych mostków cieczowych przedstawione dla wody: (a) zapłon, (b) rozszerzanie, (c) zredukowane napięcie, (d) formowanie ligandów, (e) rozpad na krople pod wpływem niestabilności Rayleigha-Plateau. Upływ czasu podano w msec. Kontrast tła został dostosowany w ostatnich klatkach w celu poprawy wizualizacji kropli. Kadry z filmu uzupełniającego S7. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Równowaga statyczna; rozkład ciepła; obrazy z kamery termowizyjnej; analiza gradientu temperatury.
Rysunek 10. Obrazy termograficzne poziomych mostków w DMSO i glicerolu. Emisja mostków dimetylosulfotlenku (DMSO) (a) oraz glicerolu (b) w kompozycie średniofalowej (3.7-5.0 µm) i długofalowej podczerwieni (8.0-9.4 µm). Klatki z materiałów wideo uzupełniających S8 (DMSO) i S9 (glicerol). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Pomyślne tworzenie stabilnych i wytrzymałych mostków cieczowych EHD wymaga zwrócenia uwagi na pewne proste, ale ważne szczegóły. Istotne jest, aby przewodność jonowa roztworów była jak najniższa (np. 1-5 μS/cm). Należy pamiętać, że zanieczyszczenie wody może powodować zwiększenie przewodności niektórych cieczy polarnych (np. glicerolu). Dobrze umyj wszystkie szklane naczynia, zwracając uwagę na staranne płukanie, używaj tylko naczyń szklanych wolnych od zanieczyszczeń powierzchniowych lub śladów przypaleń spowodowanych łukiem elektrycznym. Ogólnie rzecz biorąc, dobrą praktyką jest noszenie rękawiczek podczas pracy z jakimkolwiek sprzętem, aby zapobiec zanieczyszczeniu eksperymentu olejkami i solami skóry. Elektrody powinny być sonikowane przez kilka minut w badanym rozpuszczalniku i zaleca się, aby były one "wypalane" poprzez prowadzenie nieprzedłużonego mostka przez 30-45 minut przy wysokich wartościach prądu (np. 3-5 mA) w celu zmniejszenia reakcji elektrod wtórnych. Metale szlachetne o wysokiej czystości (np. >99,9%) najlepiej sprawdzają się jako materiały elektrodowe i powinny mieć wystarczającą powierzchnię, aby utrzymać niską gęstość prądu rzędu 10 A/m², aby zmniejszyć miejscowe nagrzewanie.

W przypadku mostów, które mają słabą stabilność lub są trudne do uruchomienia, zaleca się najpierw upewnić się, że przewodność wynosi ~1 μS/cm i że nie ma obcych zbiorników cieczy, które mogłyby umożliwić ścieżkę prądu alternatywnego. Ogólnie rzecz biorąc, zaleca się, aby wszystkie powierzchnie były jak najbardziej suche, należy zwrócić szczególną uwagę na cienkie warstwy, które mogą tworzyć się między naczyniami a płytami izolacyjnymi. Jeśli wystąpi wyładowanie łukowe, przerwij zasilanie i zmniejsz wartość napięcia, a następnie ponownie włącz zasilanie, ponieważ ciągłe wyładowanie łukowe spowoduje "karbonizację" dotkniętych obszarów, co może zmniejszyć stabilność mostka lub całkowicie zapobiec zapłonowi mostka. Jeżeli do systemu doprowadzone jest zasilanie powyżej napięcia progowego i nie tworzy się mostek, można użyć szklanego pręta izolacyjnego do wciągania cieczy w górę w kierunku punktów styku (np. dziobków zlewek) między dwoma naczyniami. Jeśli system nadal zachowuje się niestabilnie, wyczyść sprzęt i zacznij od nowa ze świeżym płynem. W przeciwnym razie zaleca się inwentaryzację otoczenia, ponieważ duże metalowe przedmioty, materiały przenoszące ładunek statyczny lub silne prądy powietrza mogą zakłócić most i/lub pole elektryczne, które go podtrzymuje.

System eksperymentalny można łatwo modyfikować tak, aby pasował do materiałów powszechnie dostępnych w większości laboratoriów. Pojemniki na ciecze mogą być wykonane z prawie każdego kompatybilnego materiału i należy zwrócić szczególną uwagę na palność pojemnika lub fazy ciekłej w przypadku łuku elektrycznego; na przykład teflon będzie generował niebezpieczne gazy podczas spalania. Kształt, rozmieszczenie i materiał elektrody można również zmienić, aby dopasować je do ograniczeń danej konfiguracji. Zazwyczaj stosuje się elektrody płaskie wykonane z folii, ale można również użyć drutu, o ile uwzględnione są wytyczne dotyczące gęstości prądu. Zastosowane pole elektryczne może być czystym prądem stałym, czystym prądem przemiennym lub prądem przemiennym spolaryzowanym prądem stałym. Wszystkie będą wytwarzać mostki cieczowe w zakresie odpowiedzi zależnym od częstotliwości dla cieczy opisanym w literaturze na temat elektrozwilżania dielektryków (EWOD) i dielektroforezy (DEP)9 , które definiują zakres częstotliwości odpowiedzi od 20 Hz do 20 kHz dla umiarkowanych napięć. Wyższe zakresy częstotliwości mogą również generować mostki, chociaż nie zostały one wyraźnie przetestowane, a niektórzy pracownicy zgłosili, że dolna granica dla mostków pionowych prądu przemiennego wynosi 50 Hz42. Orientacja na grawitację jest również łatwo modyfikowana, o ile można opracować system zapewniający swobodne powierzchnie cieczy, które są stabilne bez przyłożonego pola elektrycznego. Eksperymenty przeprowadzono przy braku grawitacji41 , które wykazały, że mosty te są zależne od stabilizującego wpływu grawitacji, która utrzymuje delikatną równowagę sił w płynnym moście.

Mostki cieczowe EHD to nowe narzędzie, które można dodać do repertuaru wielu zastosowań w naukach przyrodniczych. Pozwalają one na badanie oddziaływania sił masowych i powierzchniowych z zewnętrznymi polami elektrycznymi. Otwierają one możliwość zbadania nowych sposobów mieszania różnych płynów37; zmiana kinetyki reakcji chemicznej52; transport protonów44,45; oraz badanie reakcji systemów biologicznych na takie warunki53. Ponadto mostki te umożliwiają bezpośredni dostęp do powierzchni cieczy bez żadnych fizycznie subtelnych struktur, co już dostarczyło nowych informacji spektroskopowych na temat dynamiki w ciekłej wodzie28 i wskazuje nie tylko na istnienie elektrycznie sterowanego przełącznika stanu, dzięki któremu pojawiają się nowe właściwości masy31, ale także na potencjał do badania przemian fazowych ciecz-ciecz54 za pomocą zupełnie nowej metody. Powszechne przemysłowe zastosowanie procesów EHD (np. metody elektroprzędzenia26 i elektrorozpylania32,33 ) z pewnością może przynieść korzyści z dalszych badań nad tymi ściśle powiązanymi zjawiskami.

Oświadczenia

Autorzy, dr Mónica López Sáenz i dr Oliver Schreer, są pracownikami firmy IRCAM GmbH, która produkuje instrumenty wykorzystane w tym artykule. Pozostali autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Prace te zostały przeprowadzone w ramach współpracy TTIW w firmie Wetsus, centrum doskonałości w zakresie zrównoważonych technologii wodnych (www.wetsus.nl). Projekt Wetsus jest finansowany przez holenderskie Ministerstwo Gospodarki, Fundusz Rozwoju Regionalnego Unii Europejskiej, prowincję Fryslân, miasto Leeuwarden oraz program EZ/Kompas "Samenwerkingsverband Noord-Nederland". Autorzy pragną podziękować uczestnikom tematu badawczego "Stosowana fizyka wody" za owocne dyskusje i wsparcie finansowe.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Naczynia do krystalizacji borokrzemianówVWR216-0064
Dwuścienna kolba okrągłodenna z otworami GL14 i GL8 wraz z kulistym portem przegubowym 6 mmLGSSP757102aNiestandardowe szkło z minimum dwoma otworami, jeden na elektrodę, jeden na wylewkę mostkową.
Regulowane platformyRudolf Grauer AGSwiss Boy 115
Etap translacji ruchuThorlabsMTS25/M-Z8EKompletny zmotoryzowany stopień, sterownik i zasilacz
PłytyPowinny być odpowiednie do wytrzymania zamierzonych napięć bez przebicia
Pt ElektrodyAlfa-Aesar000261Umyj, a następnie sonicuj w 18.2 MΩ woda przed użyciem
HVPSFUG GmbHHCP 350-6500065 kV DC przy maksymalnej mocy 5 mA
Światłowodowy system sond temperaturyOpSensOTG-F Sensor / Jednostka sterująca XXX-XXXPrędkość odczytu 1 kHz, dokładność 0,01 K, rozmiar sondy 120 μ
m Długofalowa kamera termowizyjnaIRCAM GmBHTaurus 110K L168 FPS 384 x 288 Czułość < 30 mK
Długofalowa kamera termowizyjnaFLIRFLIR 62030 FPS 640 x 480 pikseli Czułość do < 45 mK
Dwuzakresowa średnio- i długofalowa kamera termowizyjnaIRCAM GmBHAparat cyfrowy Geminis 110k ML
Canon550DUżywany zarówno do wideo, jak i nieruchomych klatek
StatywManfrotto475B/405
18.2 MΩ Zaleta WaterMilli-QOdczekaj 24 godziny na zrównoważenie po rozlaniu do przezroczystych butelek borokrzemianowych
Metanol odwodniony mniej niż 0,0050% wody AnalaR NORMAPURVWR-BDH20856.296Przechowywać w suchym miejscu, aż będzie potrzebny
Glicerol bezwodny do syntezyVWR - Merck Millipore8.18709.1000Przechowywać w suchym miejscu, aż będzie potrzebny
. Dimetylosulfotlenek, klasa ACSVWR-BDHBDH1115-1LPPrzechowywać w suchym miejscu, aż będzie potrzebna
izolacyjne

Bibliografia

  1. Hertz, H. R. Ueber die Vertheilung der Electricitat auf der Oberflache bewegter. Leiter Wied Ann. 13, 266-275 Forthcoming.
  2. Quincke, G. Electrische Untersuchungen. 255, 3rd Ser, Ann Phys Chem. Leipzig. 705-782 (1883).
  3. Armstrong, L. W. Electrical phenomena. The Electrical Engineer. 10, 154-155 (1893).
  4. Fuchs, E. C., Woisetschläger, J., Gatterer, K., Maier, E., Pecnik, R., Holler, G., Eisenkölbl, H. The floating water bridge. J Phys-D-Appl Phys. 40, 6112-6114 (2007).
  5. Fuchs, E. C., Gatterer, K., Holler, G., Woisetschläger, J. Dynamics of the floating water bridge. J Phys-D-Appl Phys. 41, 185502-185507 (2008).
  6. Pellat, M. H. Mesure de la force agissant sur les diélectriques liquides non électrisés placés dans un champ élitrique. C R Acad Sci Paris. 123, 691-696 Forthcoming.
  7. Jones, T. B. An electromechanical interpretation of electrowetting. J Micromech Microeng. 15, 1184-1187 (2005).
  8. Saija, F., et al. Communication an extended model of liquid bridging. J Chem Phys. 133, 081104(2010).
  9. Wang, K. L., Jones, T. B. Frequency Dependent Electromechanics of Aqueous Liquids Electrowetting and Dielectrophoresis. Langmuir. 20, 2813-2818 (2004).
  10. Collins, R. T., Jones, J. J., Harris, M. T., Basaran, O. A. Electrohydrodynamic tip streaming and emission of charged drops from liquid cones. Nat Phys. 4, 149-154 (2008).
  11. Cloupeau, M., Foch, B. P. Electrohydrodynamic Spraying Functioning Modes A Critical Review. Journal of Aerosol Science. 25 (6), 1021-1036 (1994).
  12. Sumoto, I. An interesting phenomenon observed on some dielectrics. J Phys Soc Jpn. 10 (6), 494(1955).
  13. Okano, K. On the rotatory motion of dielectrics in static electric field. J J App Phys. 4 (4), 292-296 (1965).
  14. Pickard, W. F. Experimental Investigation of the Sumoto Effect. J Appl Phys. 32, 1888-1893 (1961).
  15. Pickard, W. F. Electrical Force Effects in Dielectric Liquids. Prog Dielectrics. 6, 1-39 (1965).
  16. Mirza, J. S. Sumoto effect under transient conditions. Jpn J Appl Phys. 19, 1297-1300 (1980).
  17. Pellat, M. H. Force agissant á la surface de séparation de deux diélectriques. CR Seances Acad Sci (Paris). 119, 675-678 (1894).
  18. Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics A Review of the role of interfacial shear stresses. Annu Rev Fluid Mech. 1, 111-146 (1969).
  19. Melcher, J. R. Continuum Electromechanics. , MIT Press. Cambridge, MA. (1981).
  20. Druzgalski, C. L., Andersen, M. B., Mani, A. A Direct numerical simulation of electroconvective instability and hydrodynamic chaos near an ion-selective surface. Phys Fluids. 25, 110804(2013).
  21. Melcher, J. R. A tutorial on induced electrohydrodynamic forces. , MIT. Cambridge, MA. (1968).
  22. Woisetschläger, J., Wexler, A. D., Holler, G., Eisenhut, M., Gatterer, K., Fuchs, E. C. Horizontal bridges in polar dielectric liquids. Exp Fluids. 52, 193-205 (2012).
  23. Galliker, J., Schneider, H., Eghlidi, S., Kress, V. S. andoghdar, Poulikakos, D. Direct printing of nanostructures by electrostatic autofocussing of ink nanodroplets. Nature Communications. 3, (2012).
  24. Fuller, S. B., Wilhelm, E. J., Jacobson, J. M. Ink jet printed nanoparticle microelectromechanical systems. J Microelectromech Syst. 11, 54-60 (2002).
  25. Sutanto, E., Shigeta, K., Kim, Y. K., Graf, P. G., Hoelzle, D. J., Barton, K. L., Alleyne, A. G., Ferreira, P. M., Rogers, J. A. A multimaterial electrohydrodynamic jet (E-jet) printing system. J Micromech Microeng. 22, 045008(2012).
  26. Tao, W. E., Inai, R., Ramakrishna, S. Technological advances in electrospinning of nanofibers. Sci Technol Adv Mater. 12, 013002(2011).
  27. Kim, J. H., Oh, H. C., Kim, S. S. Electrohydrodynamic Drop-on-Demand Patterning in Pulsed Cone-Jet Mode at Various Frequencies. J of Aero Sci. 39, 819-825 (2008).
  28. Chung, H. J., Xie, X. N., Sow, C. H., Bettiol, A. A., Wee, A. T. S. Polymeric conical structure formation by probe-induced electrohydrodynamical nanofluidic motion. Appl Phys Lett. 88, 023116(2006).
  29. Hwang, T. H., Kim, J. B., Yang, D. S., Park, Y. -I., Ryu, W. H. Targeted electrohydrodynamic printing for micro-reservoir drug delivery systems. J Micromech Microeng. 23, 035012(2013).
  30. Sill, T. J., von Recum, H. A. Electrospinning Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomat. 29, 1989-2006 (2008).
  31. Zeng, J., Korsmeyera, T. Principles of droplet electrohydrodynamics for lab on a chip. Lab Chip. 4, 265-277 (2004).
  32. Enayati, M., Chang, M. W., Bragman, F., Edirisinghe, M., Stride, E. In Colloids and Surfaces A-physicochemical and Engineering Aspects. Electrohydrodynamic preparation of particles, capsules and bubbles for biomedical engineering applications. , Elsevier Science BV. 154-164 (2011).
  33. Agostinho, L. L. F., Brouwer, S., Yurteri, C. U., Fuchs, E. C., Marijnissen, J. C. M. Insulated multinozzle system for electrohydrodynamic atomization in the simple-jet mode. Appl Phys Lett. 102, 194103(2013).
  34. Feynman, R. P. Feynman Lectures on Physics. Volume II Mainly Electromagnetism and Matter, California Institute of Technology Press. ISBN 0-201-02117-X-P (1964).
  35. Zhang, X., Zahn, M. K. err electro-optic field mapping study of the effect of charge injection on the impulse breakdown strength of transformer oil. Appl Phys Lett. 103, 162906(2013).
  36. Widom, A., Swain, J., Silverberg, J., Sivasubramanian, S., Srivastava, Y. N. Theory of the Maxwell pressure tensor and the tension in a water bridge. Phys Rev E. 80, 016301(2009).
  37. Marín, A. G., Lohse, D. Building water bridges in air; electrohydrodynamics of the floating water bridge. Phys Fluids. 22, 122104(2010).
  38. Morawetz, K. Theory of water and charged liquid bridges. Phys Rev E. 86 (2), 026302-026310 (2012).
  39. Onsager, L. Deviations from Ohm’s law in weak electrolytes. J Chem Phy. 2 (9), 599-615 (1934).
  40. Nishiumi, H., Honda, F. Effects of Electrolyte on Floating Water. Res Let Phys Chem. 2009, 371650(2009).
  41. Fuchs, E. C., Agostinho, L. L. F., Wexler, A., Wagterveld, R. M., Tuinstra, J., Woisetschläger, J. The behavior of a floating water bridge under reduced gravity conditions. J Phys D Appl Phys. 44, 025501-025508 (2011).
  42. Ponterio, R. C., Pochylski, M., Aliotta, F., Vasi, C., Fontanella, M. E., Saija, F. Raman scattering measurements on a floating water bridge. J Phys D Appl Phys. 43, 175405-175412 (2010).
  43. Piatkowski, L., Wexler, A. D., Fuchs, E. C., Schoenmakera, H., Bakker, H. J. Ultrafast vibrational energy relaxation of the water bridge. PCCP. 14, 6160-6164 (2012).
  44. Fuchs, E. C., Cherukupally, A., Paulitsch Fuchs, A. H., Agostinho, L. L. F., Wexler, A. D., Woisetschläger, J., Freund, F. T. Investigation of the Mid-Infrared Emission of a Floating Water Bridge. J Phys D Appl Phys. 45, 475401(2012).
  45. Oshurko, V. B., Ropyanoi, A. A., Fedorov, A. N., Fedosov, M. V., Shelaeva, N. A. Spectrum of OH stretching vibrations of water in a “floating” water bridge. J Tech Phys. 57 (11), 1589-1592 (2012).
  46. Fuchs, E. C., Bitschnau, B., Di Fonzo, S., Gessini, A., Woisetschläger, J., Bencivenga, F. Inelastic UV Scattering in a Floating Water Bridge. J Phys Sc Appl. 1, 135-147 (2011).
  47. Skinner, L. B., Benmore, C. J., Shyam, B., Weber, J. K. R., Parise, J. B. Structure of the floating water bridge and water in an electric field. PNAS. 109, (2012).
  48. Kaneko, K. Effect of space charge on the breakdown strength under polarity reversal. Elec Eng Jap. 106, 3(1986).
  49. Hipp, M., Woisetschläger, J., Reiterer, P., Neger, T. Digital evaluation of interferograms. Measurement. 36, 53-66 (2004).
  50. Kreis, T. Handbook of Holographic Interferometry Optical and Digital Methods. , Wiley VCH. 554(2004).
  51. Eisenhut, M., Guo, X., Paulitsch Fuchs, A. H., Fuchs, E. C. Aqueous Phenol and Ethylene Glycol Solutions in Electrohydrodynamic Liquid Bridging. Cent Eur J Chem. 9 (3), 391-403 (2011).
  52. Paulitsch Fuchs, A. H., et al. Prokaryotic transport in electrohydrodynamic structures. Phys Biol. 9, 026006-026016 (2012).
  53. Stanley, H. E., et al. Advances in Solid State. Liquid Polyamorphism and the Anomalous Behavior of Water. Haug, R. 48, 249-266 (2009).

Przedruki i uprawnienia

Sprostowanie


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).

Tagi

Formowanie mostka cieczowegoelektrody wysokiego napi ciaprzy o enie napi cia sta egotechnika wyd u ania mostkadetekcja promieniowania cieplnegorejestracja w zakresie widzialnym i podczerwonymorientacja pozioma i pionowaefekt elektrowettingu
Otrzymywanie mostków elektrohydrodynamicznych z polarnych cieczy dielektrycznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.