Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Utarbeidelse av Electrohydrodynamic Bridges fra Polar Transformator Liquids

Published: September 30, 2014 doi: 10.3791/51819
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1
1Applied Water Physics, Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2IRCAM GmbH, 3Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology

Summary

Horisontale og vertikale electrohydrodynamic flytende broer er enkle og kraftige verktøy for å utforske samspillet av høy intensitet elektriske felt og polare dielektriske væsker. Byggingen av grunnleggende apparater og operative eksempler, inkludert termografisk bilder, for tre væsker (for eksempel vann, DMSO, og glyserol) er presentert.

Abstract

Horisontale og vertikale flytende broer er enkle og kraftige verktøy for å utforske samspillet av høy intensitet elektriske felter (8-20 kV / cm) og polare dielektriske væsker. Disse broene er unik fra kapillar-broer ved at de oppviser forlengbarhet enn noen få millimeter, har komplekse toveis masseoverføringsmønstre, og avgir ikke-Planck infrarød stråling. En rekke vanlige oppløsningsmidler kan danne slike broer, så vel som lav konduktivitet løsninger og kolloidale suspensjoner. Den makroskopiske oppførsel styres av electrohydrodynamics og gir et middel til å studere fluidstrømningsfenomener uten tilstedeværelse av stive vegger. Før utbruddet av en flytende bro flere viktige fenomener kan observeres blant annet fremme menisk høyde (electrowetting), bulk væske sirkulasjon (den Sumoto effekt), og utstøting av ladede dråper (Elektro). Samspillet mellom overflaten, polarisering og fortrengning styrker kan være direkte undersøkt avvarierende påtrykte spenningen og broen lengde. Det elektriske felt, hjulpet av tyngdekraften, stabiliserer den flytende bro mot Rayleigh-Plateau ustabiliteter. Konstruksjon av grunnleggende apparat for både vertikal og horisontal retning sammen med operative eksempler, blant annet termografiske bilder i tre væsker (f.eks, vann, DMSO og glyserol) er presentert.

Introduction

Samspillet mellom elektriske felt og flytende materie resulterer i en rekke styrker utvikler seg i materialet bulk. I reelle flytende dielektriske systemer, de ikke-neglisjerbare felt gradienter og symmetri bryte geometrier resultere i en rekke tilsynelatende eiendommelige virkninger. Hertz var en av de første å være oppmerksom på den roterende bevegelse i væske-faststoff dielektriske systemer en. Quincke observert at grenseflatespenningen mellom to væsker ble ikke bare endret ved påføring av et eksternt elektrisk felt, men at denne endring resulterte i utøvelse av krefter på fluid legeme og kan brukes til å indusere roterende bevegelse 2.. Armstrong oppdaget flytende vann bro i 1893 tre som forble en gåtefull fest trick inntil nylig da Fuchs og medarbeidere utforsket masse og ladningstransport mekanikk 4,5 og gjenåpnet alvorlig vitenskapelig gransking av mekanismer som disse broene danne. Elektriske felt har ability å løfte væske mot tyngdekraften som Pellat arbeid med dielektrisk væske stige mellom parallelle plate elektroder viser seks. Denne løfte handlingen viser en frekvens avhengighet og til slutt kan beskrives via Maxwell stresset tensor 7. Dette er viktig når de vurderer væskenivået stige i forbindelse med electrohydrodynamic (EHD) flytende broer som under AC BETINGELSER viser en frekvens avhengighet åtte lik electrowetting på dielektrisk (EWOD) og dielectrophoretic (DEP) massestrøm 9. Videre er anvendelsen av høye potensielle elektriske felt viktig å kontrollere væskestrålen bryte opp og samspillet av det elektriske felt med væske er vesentlig for forståelsen av den industrielt viktig prosess for electro forstøving 10,11.

En ekstern elektrisk felt ikke bare påvirke overflateenergi. På grunn av virkningen av polarisering og skjærspenning, strømningsmønstre kanvære etablert. Et eksempel er en sirkulasjon av væske i nærvær av inhomogene elektriske felt. Herved electroconvective strømninger er etablert i væskedelen drevet av skjærspenninger. Tokushima viste at en fluid-motoren kan bygges ved hjelp av en glass rotor som inneholder enten en polar væske eller en metallstav nedsenket i et ikke-polart dielektrikum bad og plasseres innenfor en inhomogene elektriske felt 12. Senere analyse ved Okano benyttes et homogent felt tilnærmelse 13 til å løse dreie problem som bare kvalitativt matche de eksperimentelle resultater og de ​​dielektriske væsker som kreves for å reagere som en enkeltstående masse. Andre forskere om emnet savnet et punkt i sin helhet som de feilaktig meldt og utforsket Tokushima virkning som en væskenivået stige 14-16 som reaksjon på det elektriske feltet arbeid utviklet av Pellat 17. Betydningen av overflate symmetri bryte for prosessen med å lokalisere omkostninger og generert skjær streSS 18 er viktig å forstå for forskning på flytende EHD broer. Melcher sin avhandling om Kontinuumsmekanikk elektromekanikk 19 gir en komplett teoretisk grunnlag for behandling av flytende og forenkler frie overflater i isotropisk homogen grense. Betydningen av overflater er likevel klart selv fra kontinuum ståsted som tap av symmetri resultater i skjærspenning som kan generere bulk bevegelse. Tatt i det generelle tilfellet av diskrete mobile fluidvolum som kan bli polarisert, og er gjenstand for den resulterende reaktive kraft ved tilnærming til overflaten, kan det elektriske feltet interaksjon være substituert i begge Navier-Stokes 20 og Bernoulli-7,21,22 relasjoner å beskrive mengden av EHD strømningsfenomener inklusive flytende broer. Videre studier av flytende broer kan forbedre en rekke EHD baserte teknologier som blekk jet utskrift 23-25, mikro-og nano-materialer behandlingen 26-28, levering av legemidler 29, 30, biomedisinske applikasjoner 31,32, og avsalting 33.

Metodene som beskrives her, gir tilgang til dannelse av EHD flytende broer som er funnet i polare væsker som har molekyler besitter en permanent dipolmoment. De pålagte inhomogene resultater elektrisk felt i en delvis polarisering av dipol befolkningen gir en lokal endring av dielektrisk permittivitet dermed ytterligere forsterke felt gradienter 18,34,35. Denne polarisasjon gir opphav til en forskyvningskraft som, avhengig av den relative intensiteten til det påtrykte feltet vil generere en rekke forskjellige flytende reaksjoner (se figurene 4-7) til slutt resulterer i dannelsen av en bro. Væsken vil også utvikle en Taylor strømme 22,36 langs elektrodeflatene, spesielt i tilfeller hvor det er en skarp kant til stede på elektrodene. Muligheten for charge injeksjon på skarpe kanter også eksisterer og er konsistent med dendannelsen av heterocharge lag som genererer electroconvective strømmer i våt bulk 22 og dermed knytte den flytende bro systemet med Sumoto effekt 12. De styrende EHD relasjoner for bruer er mye dekket andre steder for vann og andre polare væsker 22,36-38. Disse teoretiske tilnærminger lider visse begrensninger som bør vurderes når du nærmer eksperimentelle data. Den Maxwell stresset tensor behandling 36 er ufølsom overfor felt heterogeniteter, så vel som ikke-ensartetheter i den flytende bro. En ren EHD tilnærming 37 gir steady state definisjoner av electrogravitational nummer og dens forhold til broen størrelsesforhold; derimot, er strømningsdynamikk og viktig forbigående fenomener (f.eks bro skapelse) ikke spådd. Tre dimensjonsløse tall er nyttige når analysere broens stabilitet og er utledet her som tidligere publisert av Marin & Lohse 37 E) er som er definert som forholdet mellom elektriske og kapillære krefter:

Ligning 1

hvor ε 0 er vakuum permittiviteten, ε r den relative dielektriske permittiviteten av væsken, E t er det elektriske felt over broen, er γ overflatespenningen, d s og d l er de vertikale og horisontale projeksjoner av diameteren, slik som for å gi den midlere diameter D m. Bond nummer (Bo) beskriver balansen mellom gravitasjon og kapillære krefter:

Formel 2

hvor g er tyngdens akselerasjon, er l den frie bro lengde, og V er volumet av broen. Forholdet mellomgravitasjons, kapillær, og elektriske krefter kan uttrykkes i form av antall electrogravitational G E:

Ligning 3

Den maksimale utvidelse av en bro er relatert til påtrykt spenning, mens den strøm som flyter gjennom broen er knyttet til tverrsnittsarealet og dermed diameteren. Disse forhold er koplet, bestemme volumet broen, og derved definere en region av stabilitet for en gitt drifts flytende bro. De karakteristiske kurver for en vann-bro er vist i figur 3, som viser en lavere terskel under hvilken det tilførte feltet er for svak til å overvinnes overflatespenningskrefter og en øvre terskel over hvilken massen av broen er for store resulterer i lekkasje som ytterligere forstyrrer feltet og resulterer i bridge ruptur.

Den mer generelle godbitling av flytende broer i polare løsemidler 19,22 gir den kombinerte trykkbetingelser opererer med broen å forutsi hvilke krefter som styrer strømningsdynamikk i sammenheng med en modifisert Bernoulli ligning med elektriske fortrengning vilkår lagt til trykk sikt. I tillegg Onsager forholdet for ion stabilitet 24 er innlemmet i avtalen med eksperimentelle observasjoner på likevekt pumping retning og termiske utslipp.

En rekke polare væsker har vært undersøkt, inkludert vann, lavere alifatiske alkoholer (for eksempel metanol), poly-alkoholer (for eksempel glycerol), dimetylsulfoksyd (DMSO), og andre polare organiske stoffer (f.eks, dimetylformamid). Ikke-polare dielektriske væsker (f.eks, heksan) ikke viser bridge formasjon. Den dielektriske væsker som tåler broer hittil studert 8,22,37 ligger innenfor en veldefinert gruppe fysiske parametere som etablerer et godt utgangspunkt for videre eksperimentering: lav konduktivitet (σ <5 mS / cm), moderat statisk relativ permittivitet (ε = 20-80), moderat til høy overflatespenning (γ = 21-72 mN / m). Interessant nok et bredt spekter av viskositeter (η = 0,3 til 987 mPa sek) arbeid i slike broer. I væsker med tilstrekkelig høy viskositet slik som glyserol er det mulig å trekke en bro direkte fra den flytende hoveddelen (se figur 5), og er en viktig forbindelse mellom dielectrophoretic krefter og flytende broer. Ioniske løsninger (f.eks, NaCl (aq)) er svært forstyrrende for å bygge bro formasjonen og i tidligere studier 40 har vist seg å øke temperaturen av broen, minske lengden til påtrykt spenning-forhold, og for å redusere utvidbarhet. Denne oppførsel er i stor grad tilskrives den charge skjerming effekten av oppløste ioner, så vel som øket strømledning som reduserer koblingen mellom væskevolumelementer og det elektriske felt.

<p class = "jove_content"> På kontinuum nivå EHD fenomener oppstår rett og slett fordi de nødvendige trykk vilkår som følger electrostriction er bare funnet på det flytende grensesnitt 21. Videre, er det en sammenheng mellom stabiliteten av EHD flytende broer og stabiliteten av grensesnittene i systemet. I tilfelle av reduserte tyngde eksperimenter 41 de ekspanderende flateareal resulterer i en kraft som river broen fra hverandre. Likeledes hvis overflaten er for trangt eller subtending kontaktområdet liten brua vil trolig utvikle ustabiliteter. Dette kan illustreres i broer som er matet ved hjelp av rør, eller i tilfelle av vertikale broer, hvor en elektrode er trukket oppover fra overflaten - de resulterende broene er mindre stabile i drift over lang tid som de mangler de karakteristiske strømningsdynamikk som finnes i den situasjon hvor begge reservoarer har en stor fri overflate. Broer som forbindelser til fluidreservoaret er innelukket i rør viser increased termisk akkumulering og fallende overflatespenning. Det er typisk at et luftgrensesnitt vil spontant dannes inne i røret. Denne tilstanden grenser både den maksimale utvidelsesmuligheter så vel som den gjennomsnittlige levetid av broen for trange flytende broer. Åpne overvanns broer kan utvides til 35 mm lengde ved 35 kV mens ingen broen vil vedvare på en slik akselerer spenning i sperring som væsken fortrinnsvis går over til en electro modus. Likeledes gratis overvanns broer har stabilitets levetid nærmer seg 10 timer under kontrollerte forhold, mens i tube matet systemer levetiden er vanligvis mindre enn 2 timer.

EHD fenomener er vanligvis betraktet bare på kontinuum nivå. Det er utført et begrenset antall studier på det molekylære grunnlaget for flytende broer. En Raman studie 42 ved hjelp av vertikale AC broer undersøkte inter-molekylære OH-stretching bandet i forhold til bulk vann. Noen endringer i fmattering profiler etter påføring av det elektriske felt som er vist til å ha en strukturell opprinnelse. Ved hjelp av ultrafast mid-infrarød spektroskopi pumpe probe på en flytende vann bro 43 vibrasjonen levetiden for OH strekk vibrasjon av HDO molekyler inneholdt i en HDO: D 2 O vann broen ble funnet å være kortere (630 ± 50 fsec) enn for HDO molekyler i bulk HDO: D 2 O (740 ± 40 fsec), mens i kontrast, de thermalization dynamikk følgende vibrasjonen avslapning er mye tregere (1500 ± 400 fsec) enn i bulk HDO: D 2 O (250 ± 90 fsec). Disse forskjellene i energi avslapping dynamikk sterkt indikerer at vannet broen og bulk vann forskjellig på en molekylær skala. Videre forskning på infrarød stråling fra et flytende vann bro avslørte en ikke-termisk egenskap som kan være på grunn av en overgang fra en ekssitert tilstand til grunntilstanden av et proton ledningsbåndet 44. En nyere Raman studie reported at det i DC vann broer er det en radiell fordeling i spektrene som er en indikasjon på relative forskjell i den lokale pH-verdi mellom kjernen og det ytre skall av broen 45. Den radiale fordeling av fysiske egenskaper i løpet av EHD flytende broer er videre støttet av uelastisk spredning UV eksperimenter 46 som gir motstridende radiale fordelinger i temperatur og tetthetsprofiler, og kan forklares enten ved en gradient i molekylfrihetsgrader eller tilstedeværelsen av en sekundær fase som nanobobler. Den senere konseptet er ikke støttet av en liten vinkel X-ray spredning studie 47 mens begrepet hindret rotasjon (dvs. librations) støttes fra infrarød spektrene 44. Fortrinnsstrømningsretning i EHD flytende broer oppstår fra endringer i auto-dissosiasjon kinetikk. Etter avtale med arbeidet Onsager dette funnet holder løftet for tilkobling av molekylære og Continuum nivå fenomener <sup> 22. Ytterligere bevis for en molekylær basis for å EHD fenomener er funnet i den observasjonen at termiske emisjon fra et dielektrisk dråpe avtar lokalt som reaksjon på den økende elektriske felt, og når et minimum like før utbruddet av en bro (se figur 7).

EHD flytende broer presentere en mulighet til å undersøke samspillet mellom kreftene på flere lengdeskala, og det er den spesifikke Formålet med dette arbeidet å tilveiebringe en standardisert fremgangsmåte for fremstilling av slike broer i en rekke væsker med en hvilken som helst orientering i forhold til tyngdekraften som støtter veksten av et komplett sett med karakteristiske fenomener diskutert tidligere.

Protocol

1. Generelle Anbefalinger

  1. Bruk engangs, pudderfrie hansker hele oppsettet av forsøket for å hindre forurensning av svette eller olje fra hendene.
  2. Rent hele glass, elektroder og andre deler som kommer i kontakt væsken under studien, med spesiell oppmerksomhet for å hindre innføring av urenheter som kan oppløses i den flytende fase.
  3. Ved hjelp av en ledningsevnemåler, å måle den elektriske ledningsevne av den væske som skal brukes i eksperimentet, og bekrefter at det er ≤1 mS / cm.

2. Forsøksoppsett

  1. Horisontal bridge system (Figur 1a)
    1. Plasser et par justerbare høyde plattformer på et nivå som ikke-ledende overflate. Løs en plattform på plass og montere den andre plattformen på en motorisert lineær oversettelse trinn som har et minimum for på 25 mm.
    2. Sikre isolerende plater (Figur 1a, en del j) til the toppflaten av de justerbare plattformer. Bruk isolerende plater som er overdimensjonerte, slik at de rager inn over plattformene med minst 10 mm på alle sider. Bruk vanlige materialer slik som teflon, akryl, eller vindusglass. Velg tykkelse for å hindre sammenbrudd i den planlagte maksimal spenning.
    3. Koble høyspenning strømforsyning (Figur 1a, del m) i henhold til produsentens instruksjoner.
    4. Loddekrokodilleklemmer til utgangen av både høy spenning og jordledninger.
    5. Fastklemme en ende av en bærearm laget av stivt isolerende materiale på et ringstativ med den isolerende stang som stikker ut horisontalt over isolerende plattformer.
    6. Monter bakken og høyspentledningene til bærearmene ved hjelp av enten flere wraps elektrotape, nylon wire bånd eller andre egnede midler slik at krokodilleklemmer stikker nedover over de isolerte plattformer.
    7. Clip én platina elektroden (Figur 1a, del k) Inn i hvert av de to krokodilleklemmer.
    8. Posisjonering av bærearmene, slik at den høye spenning er over ledningen den faste plattform og jordledningen er over den bevegelige plattform.
  2. Vertikal bridge system (Figur 1b)
    1. Fest et ikke-ledende klemme til en lineær oversettelse stadium, slik at klemmen kan reise et minimum på 25 mm. Bruk denne klemme for å holde fartøyet (figur 1b, del i), som vil bli koblet til jordledningen.
    2. Monter denne sammenstillingen til en vertikal stiv bærekonstruksjon.
    3. Fest et tilsvarende ikke-ledende klemme på linje og under-støtte på den lineære oversettelses stadium. Bruk denne klemme til å holde fartøyet som vil bli koblet til den høyspenningskabel.
  3. Lag en "dead-stick" (Se figur 1c for illustrasjon)
    1. Skaff et stykke av ikke-ledende stivt materiale, slik som glass eller plaststav 30 til 40 cm lang (figur &# 160, 1c, del p).
    2. Fest et stykke av ledende metall 10 til 15 cm lang (figur 1c, del q) til den ene enden av stangen ved hjelp av flere runder elektrisk tape (figur 1c, delvis R) anvendes på en kryss og tvers måte eller annet festemateriale.
    3. Bruk "dead-stick" å bygge bro over høyspent og jordelektroder med metall slutten etter at strømforsyningen er slått av for å sikre at kretsen er utladet før håndteringsutstyr.

3. Drift av flytende Bridges

  1. Horisontale Flytende Bridges
    1. Fyll hver fartøy (figur 1a, del i) med tilstrekkelig væske til å bringe overflaten til innen 1-5 mm av begerglasset tut eller felgen. For fartøyene (diameter 60 mm) som brukes i denne demonstrasjonen, bruker 67 g av flytende vann, 74 g for DMSO, eller 84,4 g for glyserol.
    2. Plasser de to fartøyene på isolerende plattform slik at de Phystisk kontakt med hverandre på ett sted slik som tuter, men rett vegg felgen vil også fungere.
    3. Juster plattformhøyder slik at væsken bare vil kontakte platinaelektrode og ikke krokodilleklemme eller wire. Ta hensyn til den vertikale justering slik at den resulterende broen er horisontalt nivå.
    4. Plasser platinaelektroder i de væskefylte fartøyer slik at de er minst 15 mm fra kontaktstilling hvor broen vil danne. MERK: Vanligvis at elektrodene er plassert mellom midten av skipet og veggen lengst fra hvor de to fartøyene få kontakt.
  2. Vertikale Flytende Bridges
    1. Bruk to ren, lukket fartøy med en flytende port slik det er vist i figur 1b, delvis i.
    2. Fyll hver fartøy med væsken som studeres, slik at det ikke er noen luftbobler.
    3. Sett en elektrode (Figur 1b, en del k) i begge skipene og lukke cap å holde væsken på plass.
    4. Montere de to lukkede fartøy inn i de ikke-ledende klemmer (se 2.2) slik at åpningene peker mot hverandre.
    5. Tilsett noen dråper av væske til åpningen av det nedre røret, slik at en buet væskeoverflaten rager noen få millimeter over glass felgen.
    6. Bring den øvre fartøy ned slik at den akkurat berører den nedre danner en liten kapillar bro.
    7. Koble den høye spenning av strømforsyningen (figur 1b, del m) til den nedre beholder (stasjonær) elektrodeterminalen og den første til den øvre (sette) fartøy.
  3. High Voltage Operations
    1. Generelle betraktninger
      1. Før man går videre bekrefter at alle overflater er tørre, og at ingen væske bassenger, filmer eller dråper er tilstede på de isolerende plattformer.
      2. Før man søker makt til forsøket bekrefter at det ikke er noen kortslutninger og at det er ingen grunn pprodusentenes tilstede som kan resultere i personell eller utstyr som kommer i kontakt med strømførende overflater. Vær sikker på å følge alle prosedyrer og observere advarsler utstedt av høyspent strømforsyning produsenten. Når du er i tvil søke råd fra kvalifiserte elektriske sikkerhetspersonell.
      3. Sett polariteten på strømforsyningen (hvis valgbar) før du kobler til strøm. Vanligvis bruker positiv spenning polaritet som dette gir mer stabile broer. MERK: Negativ polaritet kan også brukes, men har tendens til å gi uttalt plass ladevirkninger som i betydelig grad kan påvirke de fysiske egenskaper av både dielektrisk væske 48, og påvirker den lokale ladningstetthet i det eksperimentelle område på grunn av den funksjonelle forskjellen i å synke heller enn kilde elektroner under høye potensialer som overskytende kostnad kan sprayes på omkringliggende isolerende støttestrukturer.
      4. Åpne strømgrense på strømforsyningen, slik at det tilveiebringes ikke mer enn 5-6 mA strøm.
      </ Li>
    2. Velg en av de to spenningsprofiler som kan brukes - rampe eller trinn.
      1. Bruk en spenningsrampe når den først starter og egenskapene til væsken er ennå ikke kjent.
        1. Skru ned spenningsgrensen på strømforsyningen for å gi 0 kV.
        2. Aktiver utgangen på strømforsyningen og sakte begynne å øke spenningsgrensen med en hastighet på ca 250 V / sek.
        3. Observer spenningen som oppstår bro tenning, er dette den omtrentlige tenningsterskelspenning (V t).
      2. Bruk en spenningstrinn til raskt å søke spenningen til systemet.
        1. Sett spenningsgrense strømforsyningen til den ønskede verdi over tenningsterskel som ble bestemt ved hjelp av en spenningsrampe for væskesystemet under studie (se 3.3.2.1.3).
        2. Aktiver utgangen på strømforsyningen. MERK: Et spenningstrinn kan føre til overslag og utstøting av dråper og kan kreve flere seconds før en stabil bro former. Lysbuedannelse vil produsere ozon og peroksyd som resulterer i økt væske ledningsevne hvis tillatt å vedvare i mer enn noen få sekunder. Det anbefales å skifte ut væsken med ferskt materiale hvis lysbuedannelse er et problem.
    3. Stabil brua etter tenning.
      1. Bekreft bridge tenning ved å observere en jevn strøm av væske mellom de to fartøyene. MERK: Dette vil oppstå typisk mellom 8-10 kV, og vil bli fulgt av ledning av strøm mellom 250-500 uA avhengig av væsken som brukes.
      2. Tune broen for forlengelse ved å øke spenningen til 10-15 kV med strømforbruk ~ 1000 uA. MERK: det faktiske verdi vil være avhengig av den væske som brukes.
      3. Utvide broen til en avstand på ca 1 mm per 1 kV spenningen, f.eks 15 mm for 15 kV. Hvis det er nødvendig, justere broen videre avhengig av kravene i eksperimentet. MERK: En stabil bro can eksisterer i mange timer.
  4. Avslåingsprosedyrer
    1. Slukk brua ved å deaktivere utgangen på høy volt strømforsyning. Vent noen sekunder for strømforsyningen lade seg ut og spenningen avlesning å falle til null.
    2. Bruk "dead-stick" bygget i avsnitt 1.3 til kort elektrodeholdere før håndtering noen tidligere strømførende deler.

4. Imaging

  1. Fringe Projection
    1. Forbered en binær frynser plate ved å skrive sorte striper på transparent film og fest denne til en blakket diffuser skjermen. For dette eksempelet bruker en A4 (dvs. 297 mm x 210 mm) fringe plate.
    2. Plasser frynse plate foran et baklys slik at frynsene er projisert på hele eksperimentelle oppsettet.
    3. Rekord enten stillbilder eller filmer av linjemønsteret ved hjelp av en rekke digitale kameraer.
    4. Spor endringene jegn væskeoverflaten så vel som endringer i den optiske banelengden til subtending væske ved å analysere bildene tatt opp i 4.1.3. MERK: Kvantitativ analyse av de observerte endringene er utført via frynser evaluering ved hjelp av ulike programvarepakker som for eksempel fritt tilgjengelig IDEA program 49. De spesifikke detaljer og betraktninger av utkant analyse er dekket andre steder 49-51.
  2. Termo Imaging
    1. Sett dynamiske spekteret av termokamera i henhold til produsentens anvisninger. MERK: Typisk vil en to-punkts kalibrering, som omfatter det forventede temperaturområde er tilstrekkelig til å gi god termisk oppløsning. Mest likvide broer operere i temperaturområdet 20-50 ° C.
    2. Utfør en Emissivitetskorrigering og temperaturkalibrering av tenkelig den åpne overflaten av et volum av væsken som studeres ved temperaturer passende for forsøket.
      1. Fyll et kar identisk medsom anvendes i det eksperimentelle oppsettet med væsken som studeres ved romtemperatur.
      2. Måle temperaturen i væsken ved hjelp av en nedsenking thermoprobe slik som et type K termoelement.
      3. Ta opp bildet av væsken i det infrarøde.
      4. Heve temperaturen av væsken til temperaturer forventes på broen ved hjelp av en varm plate eller mikrobølgeovn. MERK: Dette er vanligvis ikke mer enn 10 ° C under kokepunktet for væsken (f.eks, 90 ° C i vann).
      5. Gjenta trinn 4.2.2.2 og 4.2.2.3 for forhøyet temperatur væske.
    3. Plasser kameraet litt over en horisontal bro og i flukt med en vertikal bro, slik som å maksimere den innspilte overflate. MERK: På grunn av sterk absorpsjon av midt-og langbølget infrarød stråling ved de fleste polare væsker, vil bare overflaten temperaturfordelingen være synlig.
    4. Record infrarød av broen systemet begynner før slik at utgangene på power tilførsel, og fortsetter inntil forsøket er avsluttet, eller kameraet bufferen er full.

Representative Results

Electrohydrodynamic flytende broer er forskjellig fra kapillær flytende broer av tre egenskaper: 1) flyt, 2) utvidelsesmuligheter, 3) termisk stråling; en sammenligning er vist i figur 2. Før påføring av spennings små kapillære broer er ofte observeres mellom de to fartøyer når væskenivået er selv med tuter i horisontal konfigurasjon. De er uunngåelig i den vertikale konfigurasjon når avstanden er mindre enn noen få millimeter.

Spenning kan anvendes enten i en rampe (se 3.4.2.1 i protokoll) eller trinn (se 3.4.2.2 i protokoll). Spenninger under terskelverdien (V t) vil ikke produsere en EHD på broen, men kan utløse flere andre fenomener som væskevolumutvidelse (figur 4), oppadgående bevegelse av den flytende elektrodekontaktlinje (figur 5), rotasjon og sirkulasjon av væsken bulk (figur 6), electrospraying og stråledannelse (figur 7). V t er en egenskap av den dielektriske væske som undersøkes, konsentrasjonen og typen av bestanddeler til stede, så vel som skjerming atmosfære anvendes. Terskelen for tenningen er også en funksjon av fartøyets separasjon. Mens bridge tenningen er mulig med separasjoner av mange millimeter den spenningen må være høyere og lengre hvileperiode kan observeres med mer voldelig electrospraying før en stabil væske forbindelse er dannet. For eksempel, med vannfylte reservoarer adskilt med 5 mm, V T øker til 17-20 kV eller høyere.

Når V t er overskredet en kombinasjon av overslag og sprøyting merker tenning (8a, 9a), etterfulgt umiddelbart ved dannelse av en tynn bro <1 mm i diameter. Når brua er etablert vil strømmen flyte fulgt av hevelse av broen (Tall 8b, 9b) til3-5 mm i diameter, avhengig av forholdene. I mange av de væsker studert hittil tiden fra broen tenningen til svelling er mellom 10 til 500 millisekunder og er i stor grad en funksjon av den påtrykte spenning, separasjonsavstanden, og flytende viskositet 8,22,37.

I horisontale broer strømningsretning er avhengig av den spesifikke væske forhold. Vanligvis nettostrømmen går fra anoden mot katoden når høyspennings polaritet er positiv. Ved forlengelse (figur 8c) diameteren vil svinge vanligvis ved lave frekvenser mellom 1-10 Hz. Høyere frekvens svingninger også forekomme og er synlige som overflatebølger. Optisk aktive tetthetsbølger er synlige i brolegemet når tilbake belyst med en binær linjemønsteret. Den spesifikke responsfunksjonen i systemet er avhengig av både den flytende system samt strømforsyningsegenskaper.

Vertikale broer er like på mange måter til hORIZONTAL seg; Men disse ikke viser tegn på sterk massestrøm og vanligvis har en overdrevet amfora-lignende form. Økning av drivende spenning resulterer i en mer sylindrisk søyle av væske og utvidelses (figur 9c) er litt bedre enn i horisontale broer (for eksempel 1,25 mm / kV for vann). Som horisontale broer vertikale broer kan dannes uten direkte kontakt mellom væske legemer før spenningen. I dette tilfellet en Taylor-kjegle er observert til å danne på den øvre hengende dråpe. Denne spray vil strekke seg nedad og danner en stabil stråle som raskt sveller ved kontakt med den nedre fastsittende dråpe.

I motsetning electrosprays, EHD broer i polare dielektriske væsker spre energi i form av både termisk så vel som ikke-termisk infrarød (IR) stråling 44. Termografisk opptak av flytende bruer (figurene 7-10) er et nyttig verktøy for å undersøke overflatestrømningsdynamikken samt for quantifying den i operando IR aktiv fordeling av energi. Termiske utslipp skyldes i stor grad til Ohmsk oppvarming og er derfor et følsomt mål på ion stabilitet som ulike væsker kan overopphetes annerledes gitt samme effekttap. For eksempel vann broer (figur 9c) som typisk opererer mellom 35-50 ° C, og alkohol broer løpe noen få grader kaldere på grunn av både lavere damptrykk, så vel som forskjeller i stabilitet ion 39. En annen illustrasjon av dette er også koblet oppførsel er funnet i aprotisk DMSO som har lavt damptrykk og danner negative ioner som vandrer i den motsatte retning til de fleste andre polare væsker. DMSO broer har en tendens til å operere ved en temperatur nær 100 ° C (figur 10a). Viskositet og varmekapasitet også spille en betydelig rolle i hvor termisk energi avgis i systemet som kan ses av den lokaliserte oppvarming som finnes i glyserol broer (figur 10b).

(figurene 8d, 9d) inntil en kritisk verdi er nådd, og Plateau-Rayleigh ustabiliteter forstyrre ligand-lignende bro (figur 8e, 9e) til en streng av dråper som vil migrere i elektrisk felt. En annen modus av broen avbrudd, vanligvis bare finnes i den horisontale konfigurasjon, oppstår når diameteren broen blir for store resulterer i høy masse og en nedadrettet vannstråle. Denne virkemåten kan føre til svingninger av broen produsere en "svingende" virkning som kan føre til broen for igjen å destabilisere i dråper. Stor diameter bridtot kan oppstå som et resultat av overskytende hydrostatisk trykkhøyde på et fartøy på grunn av ensrettet strømning som resulterer i en overflyttilstand; alternativt øker spenningen til høye verdier med bare liten separasjon vil produsere et svært bredt bro eller "vann veien". Disse store diameter broer kan også mislykkes ved å kollapse inn i en stor dråpe som faller ned i forhold til tyngdekraften.

Figur 1
Figur 1. Grunnleggende utstyr for EHD flytende bro eksperimenter. Skjematisk fremstilling av typisk horisontal (a) og vertikal (b) eksperimentelt system for etablering av EHD flytende broer. Noen mekaniske detaljer som festeremmer og elektrode støtter er utelatt for klarhet. De essensielle komponenter er flytende fartøy (i), isolerende plattformer eller mounts (j), elektroder (k), og en høyspent kraftforsyning (m). Lineære oversettings trinn anbefales for sikker separasjon av de to skipene en gang en bro er etablert. Den døde pinne vist i panel (c) er satt sammen fra et stykke av ikke-ledende stivt materiale (p), en ledende metallstang (q), og flere runder elektrisk tape anvendt i en krysset måte eller annet festemateriale (r) . Metallet ende brukes til å danne en kortslutning mellom de to elektroder etter avslutningen av forsøkene for å sikre at kretsen er utladet før håndteringsutstyr. Trykk her for å vise en større versjon av denne figuren.

Figur 2
Figur 2. Sammenligning av kapillære og EHD vann broer.En horisontal kapillær bro kan kun strekke seg over en liten åpning på 1,5 mm (a), mens horisontale EHD broer ved tre forskjellige spenninger 4 kV (b), 6 kV (c), 8 kV (d) lett passere gapet. Merk at EHD broer flyte over tutene mens en kapillær bro er suspendert mellom spouts. Likeledes den vertikale kapillær broen (e) har en smalere midje (~ 1,5 mm diam.) Og kan kun bli utvidet ~ 3,3 mm i motsetning til vertikale EHD broer som er utvidbar. Tre EHD broer drevet ved 4 kV (f), 6 kV (g), og 8 kV (h) i samme avstand som den kapillære broen er vist. Høyere spenning øker bro midje diameter, strømningshastighet og økt oppvarming som et resultat av økt energitap i broen. En økning i bobledannelse er også observert ved høyere spenninger som gass løselighet avtar med økende temperatur. Målestokki alle rammer er 1 mm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Karakteristiske kurver for en flytende vann bro. Den nåværende spenning forhold for flytende vann broer på 0, 5, 10, 15 mm avstand er plottet. En nedre terskel under hvilken ingen væske vil danne bro (se innfelte bilde på nederst til venstre), og en øvre terskel over hvilke broer er ustabile (innfelte bilder 1-4) bundet regionen av stabilitet. For de fleste broer med noen målbar forlengelse (dvs. ≥ 5 mm) den totale energitap ligger mellom 10 og 20 watt. Bruddet av en bro utover den øvre terskel vil ofte følger en sekvens av hendelser som utvikler seg fra normal driftsion (innfelt 1), til lekker (innfelt 2), sagging (innfelt 3), og til slutt sprekke (innfelt 4). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Volum ekspansjon. Hele væskeoverflate av to skip kan ses å stige som følge av det påtrykte elektriske felt ved hjelp av en projisert binær linjemønsteret. To Teflon begre fylt med vann blir avbildet med en anslått frynser mønster på to ulike anvendte spenninger a) 0 kV og b) 15 kV. Endringen i det projiserte frynser (panel C) analyseres ved hjelp av IDEA 33 programvare som bruker en filtrert Fourier-transform for å omdanne endringer i frynse modulasjonsfrekvensen til enrelative høyde stige. Den ikke-ensartethet oppdaget skiftet er på grunn av lav romlig frekvens på det projiserte frynser og gjenstander på grunn av den diskrete cosinus transform basert fase pakker opp metoden. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Dielectrophoresis og Electrowetting. Den elektromekaniske respons av glyserol til høye potensielle elektriske felt. To platinaelektroder nedsenket i vannfri glycerol ved 0 kV (a), og 19 kV (b) viser hvordan væsken er sterkt drevet oppover. I en modifikasjon av Pellat eksperiment den løftede volumet er fullstendig fjernet fra subtending reservoaret som gir en EHD glycerol bridge holdes mellom de to elektrodene (c). Likeledes, i tilfellet med stavformede elektroder (d) av kontaktlinjen fremskritt opp elektroden med anvendelse av 15 kV (e) å heve elektrodene trekker den flytende legeme oppover til å danne konisk avkortet kjegle (f) viser den forbedrede fukting generert av den sterke felt. Scale barer er 5 mm. Stills tatt fra supplerende videoer S1 (ac) og S2 (DF). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Tokushima virkning visualisert i det infrarøde. Infrarød bildesekvens fra et enkelt fartøy av glycerol i en inhomogene elektriske felt gitt ved hjelp av et enkelt punkt plane elektrodesystem som er vist i synlig lys i panel (a). Strøm (19 kV DC) blir påført ved t = 0 sek. Lokal overflate kjøling oppstår under punkt elektroden (t = 15 sek) Dette lokal avkjøling sprer seg over overflaten og utvikler heterogeniteter, generering av en dreiekraft når umiddelbare er i utgangspunktet lite og krever omtrent 75 sekunder for å bli synlig på overflaten. Tid mellom rammer er 15 sek. Scale bar er 10 mm. Stills fra supplerende video S3. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Forhåndstennings avkjøling i en vertikal bro system med 10 mm avstand. Taylor Den øvre konus og nedre fastsittende dråpe av en vertikal vann broen set-u p er vist i nærbilde, i løpet av en spenningsrampe. Bildene er i det langbølgede infrarøde og representerer overflateutslipp. Fra bildene er det en jevn kjøling og forlengelse (ad) av både flytende overflater som spenningen økes både nådd en minimumstemperatur på 1-2 ° C under innledende (a) like før utstøting av en stråle (e) fra den øvre Taylor kjegle. Den nedre dråpe recoils i forkant av den ladet jet, men raskt blir etter kontakt (ef), stiger utslippet raskt som en stabil EHD flytende bro er etablert (g). Senking ble bekreftet ved hjelp av en fiberoptisk termo-sonde. Den nedre fastsittende dråpe er ~ 2 ° C varmere enn den øvre membran på grunn av drift tidligere; vanligvis den høyspente fartøyet vil få en litt høyere temperatur. Stills fra supplerende videoer S4 (topp kjegle) og S5 (nederst dråpen).opplasting / 51819 / 51819fig7highres.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Termografiske bilder av en horisontal vann bro fra tenningen til utryddelse. Representant serie av kompositt mid-wave (3,7 til 5,0 mikrometer) og langbølget (8,0 til 9,4 mikrometer) infrarøde bilder som karakteriserer de operasjonelle stadier for horisontale flytende broer vist for vann: (a) Selvantennelsestemperatur, (b) å ekspandere (c) forlengelse, (d) stabilisering, (e) bruddet. I denne bildesekvens broen ble slukket ved å fjerne strøm til systemet. Stills fra supplerende video S6. Vennligst klikk her for å vise enstørre versjon av dette tallet.

Figur 9
. Figur 9. Termografiske bilder av en vertikal vann bro fra tenningen til utryddelse representant serie av langbølget infrarød (7,5 til 9,0 mikrometer) bilder karakteriserer de operasjonelle stadier for vertikale flytende bruer vist for vann: (a) tenning, (b) utvidelse , (c) redusert spenning, (d) ligand formasjonen, (e) oppdelingen i dråper under påvirkning av Rayleigh-vidde ustabiliteter. Medgått tid vises i millisekunder. Bakgrunnen kontrast ble justert i løpet av de siste rammer for å øke dråpe visualisering. Stills fra supplerende video S7. Vennligst klikk her for å se et større versjon av denne figuren.

Figur 10
Figur 10. Termografiske bilder av horisontale broer i DMSO og glyserol. Dimetylsulfoksyd (DMSO) (a) og glycerol (b) bro emitering i et komposittmateriale av mid-bølge (3,7 til 5,0 mikrometer) og langbølget infrarød (8,0 til 9,4 um). Stills fra supplerende videoer S8 (DMSO) og S9 (glyserol). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Den vellykkede dannelsen av stabile og robuste EHD flytende broer krever oppmerksomhet som skal betales til visse enkle, men viktige detaljer. Det er viktig at den ioniske ledningsevne av løsningene være så lavt som praktisk (som 1-5 mS / cm). Vær oppmerksom på at vannforurensning kan føre til økt ledningsevne for enkelte polare væsker (f.eks, glyserol). Vask alle glassvarer godt betalende oppmerksomhet til forsiktig skylling, må du bare bruke glass for fri overflateforurensing eller bue indusert brennmerker. Generelt er det lurt å bruke hansker når du håndterer noe utstyr for å hindre at olje og salter forurenser forsøket. Elektrodene bør sonikert i flere minutter i løsningsmidlet under studien, og det anbefales at disse er "innbrent" ved å kjøre en unextended bro i 30-45 min ved høye strømverdier (f.eks, 3-5 mA) for å redusere sekundære elektrode reaksjoner. Høy renhet (f.eks> 99,9%edelmetaller) fungerer best som elektrodematerialer og bør ha tilstrekkelig overflateareal, slik som å opprettholde lave strømtettheter av størrelsesorden 10 A / m, slik som å redusere lokal oppvarming.

I tilfelle av broer som har dårlig stabilitet eller er vanskelige å starte det anbefales først å bekrefte ledningsevne er ~ 1 mS / cm og at det ikke er noen utenforliggende bassenger av væske som kan tillate en alternativ strømbanen. Generelt anbefales det at alle overflater være så tørr som mulig, betaler spesiell oppmerksomhet til tynne filmer som kan danne mellom fartøy og isolerende plater. Hvis lysbue oppstår avbrudd strøm og reduserer spenning verdi deretter koble inn strømmen som vedvarende lysbue vil resultere i "karbo" av berørte områder som kan redusere bro stabilitet eller hindre bro tenning alle sammen. Hvis enheten er tilkoplet til systemet over terskelspenningen, og ingen bro danner en isolert glasstav kan brukes til å trekke væske oppover mot the kontaktpunkter (f.eks beaker spouts) mellom de to fartøyene. Hvis systemet fortsetter å oppføre seg på en ustabil måte rengjøre utstyret og starte på nytt med frisk væske. Sviktende dette, er det anbefalt å ta opptelling av omgivelsene som store metallgjenstander, materialer som støtter statisk elektrisitet, eller sterke luftstrømmer kan forstyrre broen og / eller det elektriske feltet som støtter det.

Den eksperimentelle systemet er enkelt endres til å passe materialer som vanligvis er tilgjengelige i de fleste laboratorier. Væskebeholdere kan være fra nesten hvilken som helst kompatibelt materiale og spesiell oppmerksomhet bør vies til brennbarhet av beholderen eller væskefase i tilfelle av elektrisk lysbue; for eksempel Teflon vil generere farlige gasser ved forbrenning. Elektrode form, plassering, og materialet kan også endres for å passe begrensninger av et gitt oppsett. Vanligvis plane elektroder laget av folie anvendes, men ledningen kan også brukes så lenge de gjeldende retningslinjer tetthet blir tatt hensyn til. Den anvendte elektriske feltet kan være ren DC, ren AC eller DC partisk AC. Alt vil produsere flytende broer innenfor frekvensavhengig responsområde for væsker som er beskrevet i litteraturen på electrowetting på dielektrikum (EWOD) og dielectrophoresis (DEP) 9 som definerer en responsfrekvensområde mellom 20 Hz og opp til 20 kHz for moderate spenninger. Høyere frekvensområder kan også generere broer selv om disse ikke har vært eksplisitt testet og noen arbeidere har rapportert den nedre grensen for AC vertikale broer å være 50 Hz 42. Orientering av tyngdekraften er også lett modifiseres så lenge som et system, kan være utformet for å gi frie væskeflater som er stabile uten et påført elektrisk felt. Forsøk har blitt utført i fravær av tyngdekraften 41 som viste at disse broer har en avhengighet av den stabiliserende innvirkning av tyngdekraften som opprettholder den delikate balanse av krefter i en flytende bro.

ent "> EHD flytende broer er et nytt verktøy som kan legges til repertoaret av mange naturfaglige programmer. De tillater utforskningen av samspillet av bulk og overflatekrefter med eksternt påførte elektriske felt. De åpner muligheten til å undersøke nye måter blanding av ulike væsker 37; endring kjemiske reaksjonskinetikk 52; proton transport 44,45, og undersøke responsen av biologiske systemer til slike forhold 53 I tillegg er disse broer tillate direkte adgang til den flytende overflate uten fysisk rager i strukturer som allerede har gitt ny. spektroskopisk informasjon om dynamikken i flytende vann 28 og antyder ikke bare ved at det foreligger en elektrisk styrt tilstand hvorved bryteren nye bulkegenskaper dukke 31, men ved å undersøke potensialet væske-væske-faseoverganger 54 gjennom en helt ny metode. Den utbredte industrielle anvendelsen av EHD prosesser (f.eks 26, og Elektro 32,33 metoder) absolutt kan dra nytte av videre studier av disse nært allierte fenomener.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble utført i TTIW-samarbeid rammen av Wetsus, kompetansesenter for bærekraftig vannteknologi (www.wetsus.nl). Wetsus er finansiert av det nederlandske Ministry of Economic Affairs, EU Regional Development Fund, provinsen Fryslân, byen Leeuwarden og EZ / Kompas program av "Samenwerkingsverband Noord-Nederland". Forfatterne ønsker å takke deltakerne i forskningstema "Applied Water Physics" for fruktbare diskusjoner og deres økonomiske støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Borosilicate Crystallization Dishes VWR 216-0064
Double walled roundbottom flask with GL14 and GL8 openings along with 6 mm spherical joint port LGS SP757102a Custom glassware with minimum two openings one for electrode, one for bridge spout.
Adjustable Platforms Rudolf Grauer AG Swiss Boy 115
Motion Translation Stage Thorlabs MTS25/M-Z8E Complete motorized stage, controller, and power supply
Insulating Plates Should be appropriate for resisting the intended voltages without breakdown
Pt Electrodes Alfa-Aesar 000261 Wash and then sonicate in 18.2 MΩ water prior to use
HVPS FUG GmbH HCP 350-65000 65 kV DC at 5 mA maximum output
Fiber Optic Temperature Probe System OpSens OTG-F Sensor/ XXX-XXX Control Unit Readout speed 1 kHz, accuracy 0.01 K, probe size 120 μm
Long Wave Infrared Camera IRCAM GmBH Taurus 110K L 168 FPS 384 x 288 Sensitivity < 30 mK
Long Wave Infrared Camera FLIR FLIR 620 30 FPS 640 x 480 pixel Sensitivity to < 45 mK
Dual Band Mid- and Long-Wave Infrared Camera IRCAM GmBH Geminis 110k ML
Digital Camera Canon 550D Used for both video and still frames
Tripod Manfrotto 475B/405
18.2 MΩ Water Milli-Q Advantage Allow 24 hr to equilibrate after dispensing into clear borosilicate bottles
Methanol dehydrated with less than 0.0050% water AnalaR NORMAPUR VWR-BDH 20856.296 Keep dry until needed
Glycerol anhydrous for synthesis VWR - Merck Millipore 8.18709.1000 Keep dry until needed
Dimethylsulfoxide, ACS Grade VWR-BDH BDH1115-1LP Keep dry until needed

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Fysikk flytende vann bro polare dielektriske væsker flytende bro electrohydrodynamics termografi dielectrophoresis electrowetting Sumoto effekt Armstrong-effekten
Utarbeidelse av Electrohydrodynamic Bridges fra Polar Transformator Liquids
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wexler, A. D., López… More

Wexler, A. D., López Sáenz, M., Schreer, O., Woisetschläger, J., Fuchs, E. C. The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids. J. Vis. Exp. (91), e51819, doi:10.3791/51819 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter