Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fremstillingen af ​​elektrohydrodynamisk Bridges fra Polar Dielektriske Væsker

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 elektrohydrodynamiske flydende broer er enkle og effektive værktøjer for at udforske samspillet mellem høj intensitet elektriske felter og polære dielektriske væsker. Opførelsen af grundlæggende apparater og operationelle eksempler, herunder termografiske billeder, for tre væsker (fx vand, DMSO og glycerol) præsenteres.

Abstract

Horisontale og vertikale flydende broer er enkle og effektive værktøjer for at udforske samspillet mellem høj intensitet elektriske felter (8-20 kV / cm) og polære dielektriske væsker. Disse broer er unikke fra kapillære broer, idet de udviser strækbarhed ud over nogle få millimeter, har komplekse tovejs masseoverføring mønstre og udsende ikke-Planck infrarød stråling. En række almindelige opløsningsmidler kan danne sådanne broer samt lav ledningsevne opløsninger og kolloide suspensioner. Den makroskopiske adfærd er styret af electrohydrodynamics og giver mulighed for at studere fluid strømningsfænomener uden tilstedeværelse af stive vægge. Forud for starten af ​​en flydende bro flere vigtige fænomener kan iagttages, herunder fremme menisk højde (electrowetting), bulk væske omsætning (det Sumoto effekt), og udstødningen af ​​ladede dråber (elektrospray). Samspillet mellem overflade, polarisering, og kræfter forskydning direkte kan undersøges vedvarierende påtrykte spænding og bro længde. Det elektriske felt, bistået af tyngdekraften, stabiliserer flydende bro mod Rayleigh-Plateau ustabilitet. Konstruktion af grundlæggende apparater til både lodret og vandret orientering sammen med operationelle eksempler, herunder termografiske billeder, for tre væsker (fx vand, DMSO og glycerol) præsenteres.

Introduction

Samspillet mellem elektriske felter og flydende stof resulterer i en række kræfter, der udvikler sig i materialet bulk. I faste væskeisolation systemer, ikke ubetydelige feltgradienter og symmetri bryde geometrier resultere i en række af tilsyneladende ejendommelige effekter. Hertz var en af de første til at bemærke den roterende bevægelse i væske-faststof dielektriske systemer 1. Quinkes observeret, at grænsefladespændingen mellem to væsker, som ikke ændredes kun ved anvendelse af et eksternt elektrisk felt, men at denne ændring resulterede i udøvelse af kræfter på væske legeme og kan anvendes til at inducere rotationsbevægelse 2. Armstrong opdagede flydende vand bro i 1893 3, der forblev en gådefuld part trick indtil for nylig, da Fuchs og kolleger udforskede masse og ladning transport mekanik 4,5 og genåbnede seriøs videnskabelig undersøgelse af de mekanismer, som disse broer danner. Elektriske felter har ability at løfte væsker mod tyngdekraften som Pellat arbejde med dielektrisk væske stigning mellem parallelle pladeelektroder viser 6. Dette løft handling viser en frekvens afhængighed og i sidste ende kan beskrives via Maxwell stress tensor 7. Dette er vigtigt, når man overvejer væskeniveauet stigning i forbindelse med elektrohydrodynamiske (EHD) flydende broer, som under AC betingelser kan vise en frekvens afhængighed 8 ligner electrowetting på dielektriske (EWOD) og dielektrophoretisk (DEP) massestrøm 9. Desuden er det vigtigt at kontrollere flydende jet bryde op anvendelse af højt potentiale elektriske felter og samspillet mellem det elektriske felt med væske er afgørende for forståelsen af industrielt vigtige proces elektrospray forstøvning 10,11.

En ekstern elektrisk felt ikke blot påvirke overfladen energi. På grund af virkningen af ​​polarisering og forskydningsspænding, flow mønstre kanskal etableres. Et eksempel er den cirkulation af væsker i nærværelse af inhomogene elektriske felter. Herved electroconvective strømme er etableret i den flydende bulk drevet af forskydningsspændinger. Sumoto vist, at en fluidmotoren kan bygges ved hjælp af et glas indeholdende rotor enten en polær væske eller en metalstang nedsænket i et ikke-polært dielektrisk bad og anbringes i et inhomogent elektrisk felt 12. Senere analyse af Okano brugt et homogent felt tilnærmelse 13 at løse rotation problem, som kun kunne kvalitativt matche de eksperimentelle resultater og krævede de dielektriske væsker til at reagere som en ental masse. Andre forskere om emnet gået glip af point helt som de fejlagtigt rapporteret og udforskede Sumoto virkning som et flydende niveau stige 14-16 som svar på det elektriske felt arbejde banebrydende ved Pellat 17. Betydningen af ​​overfladevand symmetribrud for processen lokalisere opladning og genereret shear stress 18 er afgørende for at forstå til forskning på likvide EHD broer. Melcher afhandling om kontinuum elektromekanik 19 indeholder en komplet teoretisk grundlag for at behandle bulk-væsker og forenkler frie overflader inden for isotropisk homogen grænse. Betydningen af ​​overflader er ikke desto mindre klart, selv fra kontinuum synspunkt da tabet af symmetri resultater i forskydningsspænding, der kan generere hovedparten bevægelse. Taget i det generelle tilfælde af diskrete mobile fluidvolumener som kan polariserede og er omfattet af den resulterende reaktive kraft ved tilgang til overfladen, kan det elektriske felt vekselvirking substitueres ind i begge Navier-Stokes 20 og Bernoulli 7,21,22 relationer at beskrive mange EHD strømningsfænomener inklusive flydende broer. Yderligere undersøgelse af flydende broer kan forbedre en række EHD baserede teknologier såsom inkjet-print 23-25, mikro-og nano-materialer forarbejdning 26-28, drug delivery 29, 30, biomedicinske anvendelser 31,32 og afsaltning 33.

De her beskrevne metoder giver adgang til dannelsen af ​​EHD flydende broer, som findes i polære væsker, hvis molekyler har en permanent dipolmoment. De pålagte sanktioner inhomogene elektrisk felt resulterer i en delvis polarisering af dipol befolkning, hvilket giver en lokal ændring af dielektrisk Permittivitet således yderligere styrke feltgradienter 18,34,35. Denne polarisering giver anledning til en forskydningskraft, som afhængig af den relative intensitet af det påførte felt vil generere en række forskellige flydende responser (se figur 4-7) til sidst resulterer i dannelsen af en bro. Væsken vil også udvikle en Taylor flow 22,36 langs elektrodeoverfladerne især i tilfælde, hvor der er en skarp kant til stede på elektroderne. Muligheden for afgift injektion på skarpe kanter også eksisterer og er i overensstemmelse meddannelse af heterocharge lag, som genererer electroconvective strømme i flydende bulk 22 således forbinder den flydende bro system med den Sumoto effekt 12. De styrende EHD relationer til broer er udførligt dækket andre steder for vand og andre polære væsker 22,36-38. Disse teoretiske tilgange lider visse begrænsninger, som bør overvejes, når du nærmer eksperimentelle data. Maxwell stress tensor behandling 36 er ufølsom over for marken heterogeniteter samt uensartetheder i flydende bro. En ren EHD tilgang 37 giver steady state definitioner af electrogravitational nummer og dens forhold til broen billedformat; imidlertid er flow dynamik og vigtig forbigående fænomener (fx skabelse bro) ikke forudsiges. Tre dimensionsløse tal er nyttige, når man analyserer broens stabilitet og er afledt her som tidligere publiceret af Marin & Lohse 37 Ø) er der er defineret som forholdet mellem elektrisk og kapillarkræfter:

Ligning 1

hvor ε 0 er vakuum permittiviteten, ε r den relative dielektriske permittivitet af væsken, E t er det elektriske felt over broen, γ er overfladespændingen, D s og d li de lodrette og vandrette fremskrivninger af diameteren, så til opnåelse af den gennemsnitlige diameter D m. Bond nummer (Bo) beskriver balancen mellem tyngdekraft og kapillarkræfter:

Ligning 2

hvor g er tyngdeaccelerationen, l er gratis bro længde, og V er den bro volumen. Forholdet mellemtyngdekraftmæssige kapillær og elektriske kræfter kan udtrykkes i form af electrogravitational antal G E:

Ligning 3

Den maksimale strækbarhed af en bro er relateret til den påførte spænding, mens den strøm gennem broen er relateret til tværsnitsarealet og derfor diameteren. Disse relationer er koblet, fastlægge broen volumen, og dermed definere regionen stabilitet for en given driftsvæske bro. De karakteristiske kurver for en vand bro er givet i figur 3, som viser en lavere tærskel, under hvilken det påførte felt er for svag til at overvinde overfladespændingskræfter og en øvre tærskel, som massen af broen er for stor resulterer i lækage som yderligere forstyrrer banen og resulterer i bro brud.

Den mere generelle behandlerling af flydende broer i polære opløsningsmidler 19,22 giver de kombinerede betingelser tryk opererer med broen til at forudsige de kræfter, der gælder strømningsdynamik i forbindelse med en modificeret Bernoulli ligning med vilkår elektriske forskydning føjet til trykket sigt. Desuden Onsager forhold til ion stabilitet 24 er indarbejdet i aftale med eksperimentelle observationer om ligevægt pumpe retning og termisk emission.

En række af polære væsker er blevet udforsket, herunder vand, lavere alifatiske alkoholer (fx methanol), poly-alkoholer (fx glycerol), dimethylsulfoxid (DMSO), og andre polære organiske stoffer (fx dimethylformamid). Ikke-polære dielektriske væsker (fx hexan) ikke udviser brodannelse. De dielektriske væsker, der kan understøtte broer hidtil undersøgt 8,22,37 ligger inden for en veldefineret gruppe af fysiske parametre, der etablerer et godt udgangspunkt for yderligere eksperimenter: lav ledningsevne (σ <5 uS / cm), moderat statisk relativ permitivitet (ε = 20-80), moderat til høj overfladespænding (γ = 21-72 mN / m). Interessant en bred vifte af viskositeter (η = 0,3 til 987 mPa sek) arbejde i sådanne broer. I væsker med tilstrækkelig høj viskositet, såsom glycerol er det muligt at trække en bro direkte fra flydende bulk (se figur 5), og er en vigtig forbindelse mellem dielektroforetiske kræfter og flydende broer. Ioniske opløsninger (fx NaCl (aq)) er meget forstyrrende for brodannelse og i tidligere undersøgelser 40 har vist sig at øge temperaturen af broen, mindske længden til påtrykt spænding forhold, og for at reducere strækbarhed. Denne adfærd er i vid udstrækning tilskrives afgiften skærmende effekt af opløste ioner samt øget strømledende som reducerer koblingen mellem væskevolumen elementer og det elektriske felt.

<p class = "jove_content"> På kontinuum niveau EHD fænomener opstår simpelthen fordi det nødvendige tryk vilkår, som ledsager electrostriction kun findes på væskegrænsefladen 21. Endvidere er der en sammenhæng mellem stabilitet EHD flydende broer og stabiliteten af ​​grænsefladerne i systemet. I tilfælde af reducerede tyngdekraft eksperimenter 41 ekspanderende overfladeareal resulterer i en kraft, som river broen hinanden. Ligeledes hvis overfladen er for begrænset, eller udstrækning på kontaktområde lille broen vil sandsynligvis udvikle ustabilitet. Dette kan illustreres i broer, som fødes af rør eller i tilfælde af vertikale broer, hvor en elektrode er trukket opad fra - de resulterende broer er mindre stabile i længere tids drift, da de mangler de karakteristiske strømningsdynamik fundet i den situation, hvor begge reservoirer har en stor fri overfladeareal. Broer, hvis forbindelser til væskereservoiret findes inden for slanger Vis jegncreased termisk ophobning og faldende overfladespænding. Det er typisk, at en luft-interface spontant vil danne i slangen. Denne betingelse begrænser både den maksimale udvidelsesmuligheder samt den gennemsnitlige levetid for broen på små flydende broer. Åbne overfladevand broer kan udvides til 35 mm længde ved 35 kV hvorimod ingen bro vil fortsætte på sådan en accelererende spænding på fødslen, så væsken fortrinsvis overgange ind i en elektrospray tilstand. Ligeledes gratis overfladevand broer har stabilitet levetid nærmer 10 timer under kontrollerede forhold, mens levetiden på rør fodret systemer er typisk mindre end 2 timer.

EHD fænomener er typisk kun betragtes på kontinuum niveau. Der er blevet udført et begrænset antal undersøgelser vedrørende den molekylære basis for flydende broer. En Raman undersøgelse 42 Brug lodrette AC broer undersøgte inter-molekylære OH-stretching bånd i forhold til bulk-vand. Nogle ændringer i scattering profiler efter påføring af det elektriske felt, er vist at have en strukturel oprindelse. Brug ultrahurtig midt-infrarødt pumpe sonde spektroskopi på et flydende vand bro 43 vibrationelle levetid af OH strækning vibration HDO-molekyler indeholdt i en HDO: D2O vand bro blev fundet at være kortere (630 ± 50 fsec) end for HDO molekyler i bulk HDO: D 2 O (740 ± 40 fsec), mens der i modsætning hertil thermalization dynamik efter vibrationelle afslapning er meget langsommere (1.500 ± 400 fsec) end i bulk HDO: D 2 O (250 ± 90 fsec). Disse forskelle i energi afslapning dynamik indikerer stærkt, at vandet bro og bulk vand uenige om en molekylær skala. Desuden forskning i den infrarøde emission af en flydende vand bro afslørede en ikke-termisk funktion, som kan skyldes en overgang fra en ophidset tilstand til grundtilstanden af en proton ledningsbåndet 44. Et andet og nyere Raman undersøgelse reported som i DC vand bro der er en radial fordeling i spektrene, som er indikativ for den relative forskel i den lokale pH-værdi mellem kernen og den ydre skal af broen 45. Den radiale fordeling af fysiske egenskaber inden for EHD flydende broer er yderligere understøttet af uelastisk UV scattering eksperimenter 46, som giver modstridende radiale fordelinger i temperaturen og tætheden profiler og kan enten forklares ved en gradient i molekylære frihedsgrader eller tilstedeværelsen af en sekundær fase som nano bobler. Den senere Begrebet er ikke understøttet af en lille vinkel røntgenspredning studie 47, mens begrebet hindret rotation (dvs. librations) understøttes fra infrarød spektre 44. Den præferentiel strømning retning i EHD flydende broer skyldes ændringer i auto-dissociation kinetik. Efter aftale med det arbejde Onsager dette fund lover for tilslutning molekylære og kontinuum niveau fænomener <sup> 22. Yderligere bevis for en molekylær basis for EHD fænomener findes i den iagttagelse, at termisk emission fra et dielektrisk dråbe falder lokalt som reaktion på den stigende elektriske felt og når et minimum lige før påbegyndelsen af en bro (se figur 7).

EHD flydende broer fremlægge en mulighed for at undersøge samspillet mellem kræfter på flere længdeskalaer, og det er det specifikke formål med dette arbejde at give en standardiseret metode til fremstilling af den slags broer i en række væsker med enhver orientering i forhold til tyngdekraften, der understøtter fremkomsten af ​​det fulde sæt af karakteristiske fænomener diskuteret tidligere.

Protocol

1. Generelle anbefalinger

  1. Brug engangshandsker, pudderfri handsker i hele opsætningen af ​​forsøget for at undgå forurening af sved eller olie fra hænder.
  2. Rens alle glasvarer, elektroder og andre dele, der er i kontakt med væsken under studiet, lægges særlig vægt på at forhindre indslæbning af forurenende stoffer, der kan opløses i den flydende fase.
  3. Ved hjælp af en ledningsevnemåler, måle den elektriske ledningsevne af den væske, der skal anvendes i forsøget, og bekræfter, at det ≤1 uS / cm.

2. forsøgsopstilling

  1. Vandret bro (figur 1a)
    1. Placer et par justerbar højde platforme på et niveau ikke-ledende overflade. Fix én platform på plads og monter anden platform på en motoriseret lineær oversættelse etape, der har en rejse på mindst 25 mm.
    2. Sikker isoleringsplader (figur 1A, del j) til the oversiden af ​​de justerbare platforme. Brug isolerende plader, der er over-størrelse, således at de rager platformene med mindst 10 mm til alle sider. Brug almindelige materialer, såsom teflon, akryl eller vinduesglas. Vælg tykkelse for at forhindre nedbrydning ved den planlagte maksimale spænding.
    3. Tilslut højspændingsstrømforsyningen (figur 1a, del m) ifølge producentens instruktioner.
    4. Lodde krokodillenæb til slutningen af ​​både den høje spænding og jordledninger.
    5. Clamp ene ende af en bærearm fremstillet af stift isolerende materiale på en ring stå med den isolerende stang rager vandret over de isolerende platforme.
    6. Monter jorden og højspændings ledninger til bærearmene enten via flere wraps af elektrisk tape, nylon wire bånd, eller andre passende midler, så krokodillenæb rager nedad over de isolerede platforme.
    7. Clip en platinelektrode (figur 1a, del k) I hver af de to krokodillenæb.
    8. Placer bærearmene, således at den høje spænding ledninger er over den faste platform og jordledningen er over den bevægelige platform.
  2. Lodret bro (figur 1b)
    1. Vedhæft en ikke-ledende klemme til en lineær oversættelse tidspunkt, således at klemmen kan rejse minimum 25 mm. Brug denne klemme til at holde beholderen (figur 1b, del i), som vil blive forbundet til jordledningen.
    2. Monter denne forsamling til en lodret stiv struktur.
    3. Vedhæft en lignende ikke-ledende klemme i linje og under støtten på den lineære oversættelse scenen. Brug denne klemme til at holde fartøjet, som vil blive forbundet til den høje spænding ledning.
  3. Lav en "dead-stick" (se figur 1c til illustrationen)
    1. Skaf et stykke ikke-ledende stift materiale, såsom glas eller plastik stang 30-40 cm (figur &# 160; 1c, del p).
    2. Sæt et stykke ledende metal 10-15 cm lang (figur 1c, del k) til den ene ende af stangen ved hjælp af flere wraps af elektrisk tape (figur 1c, del r) anvendt i en gennemskåret måde eller anden fastsættelse materiale.
    3. Brug "dead-stick" at bygge bro højspændingen og jordelektroder med metalende efter strømforsyningen er afbrudt for at sikre, at kredsløbet er afladet før håndteringsudstyr.

3. Drift af flydende Bridges

  1. Horisontale Flydende Broer
    1. Fyld hver beholder (figur 1a, del i) med tilstrækkelig væske til at bringe overfladen inden for 1-5 mm bægeret tuden eller rand. For fartøjer (diameter 60 mm), der anvendes i denne demonstration, skal du bruge 67 g flydende vand, 74 g for DMSO, eller 84,4 g for glycerol.
    2. Placer de 2 skibe på isolerende platform, sådan at de fysmatisk i kontakt med hinanden på et enkelt sted, såsom tude men lige væg rand vil også arbejde.
    3. Juster platformshøjder således at væsken kun vil kontakte platinelektroden og ikke krokodillenæb eller wire. Vær opmærksom på den lodrette justering, således at den resulterende broen er vandret plan.
    4. Placer platinelektroder ind i væskefyldte skibe, så de er mindst 15 mm fra kontakt position, hvor broen vil danne. BEMÆRK: Typisk elektroderne er anbragt mellem midten af ​​fartøjet og væggen længst fra hvor de to skibe kontakt.
  2. Lodrette Flydende Bridges
    1. Brug to ren, lukkede fartøjer med en flydende port som vist i figur 1b, del i.
    2. Fyld hver beholder med væsken under undersøgelse, således at der ikke er nogen luftbobler.
    3. Indsæt en elektrode (figur 1b, del K) i hver beholder og lukke Cap til at holde væsken på plads.
    4. Monter de to lukkede beholdere i ikke-ledende klemmer (se 2.2), således at åbningerne peger mod hinanden.
    5. Tilsæt et par dråber væske til åbning af det nedre rør, således at en buet væskeoverflade rager nogle få millimeter over glasset fælgen.
    6. Bring øvre beholder ned, så den kun kontakter den nederste danner en lille kapillær bro.
    7. Slut højspændingsoutput af strømforsyningen (figur 1b, del-M) til den nederste beholder (stationær) elektrode terminal og jorden for at den øverste (oversætte) fartøj.
  3. High Voltage Operationer
    1. Generelle overvejelser
      1. Før vi går videre bekræfte, at alle overflader er tørre og at ingen flydende pools, film, eller dråber er til stede på de isolerende platforme.
      2. Forud for anvendelsen af ​​magt til forsøget bekræfter, at der ikke er nogen kortslutning, og at der ikke er nogen grund pATHs stede, som kan resultere i personale eller udstyr, der kommer i kontakt med strømførende overflader. Vær sikker på at følge alle procedurer og observere advarslerne fra højspændingsstrømforsyningen producenten. Når du er i tvivl søge rådgivning fra faguddannet sikkerhedspersonale.
      3. Indstil polariteten af ​​strømforsyningen (hvis valgbar) forud for anvendelsen magten. Typisk bruger positiv spænding polaritet, da dette giver mere stabile broer. BEMÆRK: Negativ polaritet kan også anvendes, men har tendens til at give markante rumladning virkninger, som i væsentlig grad kan påvirke de fysiske egenskaber af både den dielektriske væske 48 og påvirker den lokale ladningsdensitet i den eksperimentelle område på grund af den funktionelle forskel i synker i stedet sourcing elektroner under høje potentialer som overskydende afgift kan sprøjtes på omgivende isolerende støttestrukturer.
      4. Åbn den nuværende grænse på strømforsyningen for at give mere end 5-6 mA strøm.
      </ Li>
    2. Vælg en af ​​de to spænding profiler, der kan anvendes - rampe eller trin.
      1. Brug en spænding rampe når første start og performance karakteristika for væsken endnu ikke er kendt.
        1. Skru ned for spændingen grænse på strømforsyningen for at give 0 kV.
        2. Aktiver udgang på strømforsyningen og langsomt begynder at øge spændingen grænse med en hastighed på cirka 250 V / sek.
        3. Observer spænding, hvor der opstår bro tænding, er den omtrentlige tærskel tænding (V t).
      2. Brug en spænding skridt til hurtigt at anvende spænding til systemet.
        1. Indstil forsyningsspændingen grænse til den ønskede værdi over tærsklen tænding, som blev bestemt ved hjælp af en spænding rampe til det flydende system under undersøgelsen (se 3.3.2.1.3).
        2. Aktiver udgang på strømforsyningen. BEMÆRK: En spænding trin kan resultere i gnister og udstødning af dråber og kan kræve flere selvconds før en stabil bro former. Arcing producerer ozon og peroxid resulterer i øget væske ledningsevne hvis de får lov til at vare i mere end et par sekunder. Det anbefales at erstatte væske med frisk materiale, hvis gnistdannelse er et problem.
    3. Stabilisere broen efter antændelse.
      1. Bekræft bro antændelse ved at observere en lind strøm af væske mellem de to skibe. BEMÆRK: Dette vil ske typisk mellem 8-10 kV og vil blive ledsaget af strømledende mellem 250-500 uA afhængigt af væske, der anvendes.
      2. Tune bro til udvidelse ved at øge spændingen til 10-15 kV med strømforbrug ~ 1.000 uA. Bemærk: Den egentlige værdi vil afhænge af den anvendte væske.
      3. Forlæng bro til en afstand på cirka 1 mm pr 1 kV anvendte spænding, fx 15 mm til 15 kV. Hvis det er nødvendigt, tune bro yderligere afhængig af kravene af forsøget. BEMÆRK: En stabil bro can findes i mange timer.
  4. Nedlukningsprocedurer
    1. Sluk broen ved at deaktivere udgang på den høje spænding strømforsyning. Vent nogle sekunder til strømforsyningen kondensatorer at losse og spændingen udlæsning at falde til nul.
    2. Brug "dead-stick" konstrueret i afsnit 1.3 til kortslutte elektrodeholdere forud for håndtering af eventuelle tidligere strømførende dele.

4. Imaging

  1. Fringe Projektion
    1. Forbered en binær Fringe plade ved at udskrive sorte striber på gennemsigtig film og fastgør dette til en opal diffuser skærm. I dette eksempel bruger en A4 (dvs. 297 mm x 210 mm) frynser plade.
    2. Placer Fringe plade foran et baggrundslys, så frynserne projiceres på hele eksperimentelle opstilling.
    3. Optag enten stillbilleder eller film af Fringe mønstret ved hjælp af en række digitale kameraer.
    4. Spor ændringer, jegn væskeoverfladen samt ændringer i den optiske lysvej udstrækning på væske ved at analysere billederne, der er optaget i 4.1.3. BEMÆRK: Kvantitativ analyse af de observerede ændringer udføres via Fringe evaluering ved hjælp af forskellige softwarepakker såsom den frit tilgængelige IDEA-programmet 49. De specifikke detaljer og overvejelser frynser analyse er dækket andetsteds 49-51.
  2. Termografiske Imaging
    1. Indstil dynamikområde termografikamera i henhold til fabrikantens anvisninger. BEMÆRK: Typisk en to punkts kalibrering, som omfatter det forventede temperaturområde er tilstrækkelig til at give god termisk opløsning. De fleste flydende broer opererer i temperaturområdet 20-50 ° C.
    2. Udfør en emissivitet korrektion og temperatur kalibrering af imaging den åbne overflade af et volumen af ​​væsken, der undersøges ved temperaturer egnede til eksperimentet.
      1. Fyld et fartøj identisk medder anvendes i den eksperimentelle opsætning med væsken under undersøgelsen ved stuetemperatur.
      2. Mål temperaturen af ​​væsken ved hjælp af en nedsænkning thermoprobe såsom en type K termoelement.
      3. Optage et billede af væsken i det infrarøde.
      4. Hæv temperaturen af ​​væsken til forventede temperaturer i broen ved hjælp af en varmeplade eller mikrobølge. BEMÆRK: Denne er typisk ikke mere end 10 ° C under kogepunktet for væsken (fx 90 ° C i vand).
      5. Gentag trin 4.2.2.2 og 4.2.2.3 for den forhøjede temperatur væske.
    3. Anbring kameraet lidt over et vandret bro og med en lodret bro således at maksimere den indspillede overflade. BEMÆRK: På grund af den stærke absorption af midten og lang bølge infrarød stråling ved de fleste polære væsker, vil kun overfladetemperaturen fordeling være synlige.
    4. Optag infrarød af broen systemet begynder før aktiveringen udgangene på power forsyning og indtil forsøget er afsluttet eller kameraet buffer er fuld.

Representative Results

Elektrohydrodynamisk flydende broer adskiller sig fra kapillarvæskelag broer med tre ejendomme: 1) strømning, 2) udvidelsesmuligheder, 3) termisk emission; en sammenligning er vist i figur 2. Før påføring af spænding små kapillære broer er ofte observeres mellem de to fartøjer, når væskeniveauet er selv med tud i den horisontale konfiguration. De er uundgåelige i den vertikale konfiguration, når adskillelsen afstanden er mindre end et par millimeter.

Spænding kan anvendes enten i en rampe (se 3.4.2.1 i protokol) eller trin (se 3.4.2.2 i protokol). Spændinger under tærskelværdien (V t) vil ikke producere en EHD broen, men kan udløse flere andre fænomener såsom flydende volumen ekspansion (Figur 4), opadgående bevægelse af flydende elektrode kontakt linje (figur 5), rotation og cirkulation af væsken Hovedparten (figur 6), electrospraying og jet dannelse (Figur 7). V t er en egenskab af den dielektriske væske under undersøgelsen, koncentrationen og typen af tilstedeværende bestanddele, såvel som afskærmning atmosfære anvendes. Tærsklen for tændingen er også en funktion af fartøj adskillelse. Mens broen tænding er muligt med separationer mange millimeter den anvendte spænding skal være højere og kan iagttages en længere hvileperiode med mere voldelig electrospraying før en stabil flydende forbindelse dannes. For eksempel med vandfyldte reservoirer adskilt med 5 mm, V t stiger til 17-20 kV eller højere.

Når V t er overskredet en kombination af lysbue og sprøjtning mærker tænding (8a, 9a) umiddelbart efterfulgt af dannelsen af en tynd bro <1 mm i diameter. Når broen er etableret strømmen vil løbe efterfulgt af hævelse af bro (figur 8b, 9b) til3-5 mm i diameter afhængig af forholdene. I mange af de væsker studeret hidtil tiden fra broen tænding til hævelse er mellem 10-500 msek og er i vid udstrækning en funktion af den påtrykte spænding, adskillelse afstand, og flydende viskositet 8,22,37.

I vandrette broer strømningsretning er afhængig af de specifikke flydende betingelser. Typisk nettostrømmen løber fra anoden mod katoden, når den høje spænding polaritet er positiv. Ved forlængelse (8c) diameteren vil svinge typisk ved lave frekvenser mellem 1-10 Hz. Højere frekvenssvingninger også forekomme og er synlige som overfladebølger. Optisk aktive density bølger er synlige i broen kroppen, når tilbage belyst med en binær frynser mønster. Den specifikke reaktion funktion af systemet er afhængig af både det flydende system samt strømforsyningen egenskaber.

Lodrette broer er i mange henseender ligner til hORISONTALE dem; Men disse ikke viser tegn på stærk masseflow og typisk har en overdreven amfora-lignende form. Er en smule bedre end i vandrette broer (fx 1,25 mm / kV for vand) Styrkelse af drivende spænding resulterer i en mere cylindrisk væskesøjle og udvidelsesmuligheder (figur 9c). Ligesom vandrette broer lodret broer kan dannes uden direkte kontakt mellem væsken organer forud for spænding. I dette tilfælde observeres en Taylor-kegle til at danne den øvre hængende dråbe. Denne spray vil strække sig nedad danne en stabil stråle, der hurtigt kvælder ved kontakt med den nedre siddende dråbe.

I modsætning electrosprays, EHD broer i polære dielektriske væsker sprede energi i form af både termisk såvel som ikke-termisk infrarød (IR) stråling 44. Termografisk optagelse af flydende broer (figur 7-10) er et nyttigt værktøj til at undersøge overflade strømningsdynamik samt for quantifying den i operando IR aktiv distribution af energi. Termisk emission skyldes for en stor del Ohmsk opvarmning og er derfor et følsomt mål for ion-stabilitet som forskellige væsker tendens til at varme forskelligt givet den samme effekttab. For eksempel vand broer (figur 9c) typisk operere mellem 35-50 ° C, og alkohol broer køre et par grader køligere på grund af både lavere damptryk samt forskelle i ion stabilitet 39. Et andet eksempel på dette er forbundet adfærd findes i aprot DMSO, som har et lavt damptryk og danner negative ioner, der vandrer i den modsatte retning til de fleste andre polære væsker. DMSO broer tendens til at operere ved temperaturer nær 100 ° C (figur 10a). Viskositet og varmekapacitet spiller også en væsentlig rolle i, hvordan termisk energi spredes i systemet, som kan ses ved den lokaliserede opvarmning findes i glycerol broer (10b figur).

(figur 8d, 9d), indtil en kritisk værdi er nået, og Plateau-Rayleigh ustabiliteter forstyrre ligand-lignende bro (figur 8e 9e) i en streng af dråber, som vil migrere i elektrisk felt. En anden form for bro forstyrrelser, typisk kun findes i den horisontale konfiguration, der opstår, når broen diameteren bliver for stor hvilket resulterer i høj masse og en nedadgående vandstråle. Denne adfærd kan føre til svingninger af broen fremstilling af en "svinge" virkning, som kan medføre, at broen igen destabilisere i dråber. Brid stor diameterdringer kan forekomme som et resultat af overskydende hydrostatiske tryk i en beholder på grund af ensrettet strømning, hvilket resulterer i et overløb tilstand; alternativt at øge spændingen til høje værdier med kun små adskillelse vil producere en meget bred bro eller "vand motorvej". Disse broer med stor diameter kan også svigte ved at bryde sammen til én stor dråbe, der falder nedad under tyngdekraften.

Figur 1
Figur 1. Grundlæggende udstyr til EHD flydende bro eksperimenter. Skematisk fremstilling af typiske vandrette (a) og vertikalt (b), eksperimentelle system til oprettelse af EHD flydende broer. Nogle mekaniske detaljer såsom montering stropper og elektrode støtter er udeladt for overskuelighedens skyld. De væsentlige elementer er flydende fartøjer (i), isolerende platforme eller moUNTS (j), elektroder (k), og en høj spænding strømforsyning (M). Lineære oversættelse etaper anbefales til sikker adskillelse af de to skibe, når en bro er etableret. De døde pind vist i panel (c), er samlet af et stykke ikke-ledende stift materiale (P), et ledende metalstang (q), og flere wraps af elektrisk tape anvendes på en gennemskåret måde eller anden fastsættelse materiale (r) . Metallet ende anvendes til at danne et kort mellem de to elektroder efter afslutningen af forsøgene for at sikre, at kredsløbet er afladet før håndteringsudstyr. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Sammenligning af kapillære og EHD vand broer.En vandret kapillær bro kan kun spænde et lille hul på 1,5 mm (a) henviser til, at vandrette EHD broerne ved tre forskellige spændinger 4 kV (b), 6 kV (C), 8 kV (D) let passere hullet. Bemærk, at EHD broer flyde over tude mens en kapillær bro er suspenderet mellem tude. Ligeledes den lodrette kapillær broen (e) har en smallere talje (~ 1,5 mm dia.) Og kan kun forlænges ~ 3,3 mm modsætning lodrette EHD broer, som kan udvides. Tre EHD broer drevet ved 4 kV (f), 6 kV (g) og 8 kV (h) på samme adskillelse afstand som kapillar bro er vist. Højere spænding øger bro talje diameter, strømhastighed og øget opvarmning som følge af øget effekttab i broen. En stigning i bobledannelse er også observeret ved højere spændinger som gasopløselighed falder med stigende temperatur. Skalalinjeni alle rammer er 1 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Karakteristiske kurver for en flydende vand bro. Den nuværende spænding forhold til flydende broer vand ved 0, 5, 10, 15 mm afstandskrav er afbildet. En lavere tærskel, under hvilken der ikke flydende bro vil danne (se indsat foto nederst til venstre) og en øvre tærskel, som broer er ustabile (indsat billeder 1-4) bundet regionen stabilitet. For de fleste broer med nogle målbare udvidelse (dvs. ≥ 5 mm) den samlede effekttab ligger mellem 10 og 20 watt. Bruddet af en bro over den øvre grænse vil ofte følger en sekvens af begivenheder forløber fra normale driftsion (indsat 1), til at lække (indsat 2), flænge (indsat 3), og til sidst briste (indsat 4). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Bind ekspansion. Hele flydende overflade af to skibe kan ses at stige som reaktion på den anvendte elektriske felt ved hjælp af en projiceret binær frynser mønster. To Teflon bægre fyldt med vand, er afbildet med en forventet frynser mønster på to forskellige påførte spændinger a) 0 kV og b), 15 kV. Ændringen i det projicerede frynser (panel c), analyseres ved hjælp af IDEA 33 software, som anvender en filtreret Fouriertransformation til omdanne ændringer i udkanten modulationsfrekvens til enrelative højde stigning. Den manglende ensartethed af det detekterede forskydning skyldes den lave rumlige frekvens af den forventede frynser og artefakter på grund af den diskrete cosinus omdanne baseret fase udpakning metode. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. dielektroforese og electrowetting. Den elektromekaniske reaktion glycerol til høje potentielle elektriske felter. To platinelektroder neddyppet i vandfrit glycerol ved 0 kV (a) og 19 kV (b) viser, hvordan væsken er stærkt drevet opad. I en modifikation af Pellat eksperiment løftet volumen er helt fjernet fra udstrækning på reservoiret hvilket giver en EHD glycerol Bridge sted mellem de to elektroder (c). Ligeledes i tilfælde af stavformede elektroder (d) køreledningen forskud elektroden med anvendelse af 15 kV (e) at hæve elektroderne trækker flydende legeme opad til dannelse af en keglestub (f), der viser den forbedrede befugtning frembringes af den stærke områder. Skalapanelerne er 5 mm. Stills taget fra supplerende videoer S1 (AC) og S2 (DF). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Sumoto effekt visualiseret i det infrarøde. Infrarød billede sekvens af et enkelt fartøj glycerol i et inhomogent elektrisk felt ved hjælp af en simpel punkt plan elektrodevist i synligt lys i panel (a). Power (19 kV DC) anvendes ved t = 0 sek. Lokal overflade køling sker under punkt elektrode (t = 15 sek) Denne lokale afkøling spreder sig over overfladen og udvikler heterogeniteter, frembringelsen af ​​en rotationskraft mens øjeblikkelig indledningsvis små og kræver omkring 75 sek at blive synlig på overfladen. Tid mellem frames er 15 sek. Målestokken er 10 mm. Stills fra supplerende video S3. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. Præ-tænding afkøling i en lodret bro-system med 10 mm afstandskrav. Den øverste Taylor kegle og lavere fastsiddende dråbe en lodret vand bro sæt-u s er vist i close-up i løbet af en spænding rampe. Billederne er i langbølget infrarød og repræsenterer overfladen emissionen. Fra billederne er der en konstant afkøling og forlængelse (ad), i både flydende overflader, da den påførte spænding forøges både nåede en minimumstemperatur på 1-2 ° C under første (a), lige før udstødningen af en stråle (e) fra den øvre Taylor kegle. Den lavere dråbe viger forud for den ladede jet, men hurtigt slutter efter kontakt (ef), hurtigt emissionen stiger som en stabil EHD flydende bro er etableret (g). Reduktion Temperaturen blev bekræftet under anvendelse af et fiberoptisk termo-sonde. Den lavere siddende dråbe er ~ 2 ° C varmere end den øverste kegle grund af drift tidligere; typisk højspænding fartøjet vil opnå en lidt højere temperatur. Stills fra eventuelle supplerende videoer S4 (top kegle) og S5 (nederste dråbe).upload / 51819 / 51819fig7highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. Termografiinspektioner billeder af en horisontal vand bro fra tænding på udryddelse. Repræsentant serie af komposit mid-bølge (3,7-5,0 um) og langbølge (8,0-9,4 um) infrarøde billeder, der kendetegner de operationelle etaper for horisontale flydende broer vist for vand: (a) tænding, (b), ekspansion, (c) udvidelse, (d) stabilisering, (e) bruddet. I dette billede sekvens broen blev slukket ved at fjerne strøm til systemet. Stills fra supplerende video S6. Klik her for at se enstørre version af dette tal.

Figur 9
. Figur 9. Termografiinspektioner billeder af en lodret vand bro fra tænding til udryddelse repræsentant serie af langbølget infrarød (7,5-9,0 um) billeder, der kendetegner de operationelle etaper for vertikale flydende broer vist for vand: (a) tænding, (b), udvidelse , (c) reducerede spænding, (d) ligand dannelse, (e) opløsning til dråber under indflydelse af Rayleigh-plateau ustabiliteter. Forløbet tid er vist i millisekunder. Baggrunden kontrast blev justeret i de sidste rammer at styrke dråbe visualisering. Stills fra supplerende video S7. Klik her for at se et større verdelse af dette tal.

Figur 10
Figur 10. Termografiinspektioner billeder af vandrette broer i DMSO og glycerol. Dimethylsulfoxid (DMSO) (a) og glycerol (b), bro-emission i et sammensat af mid-bølge (3,7-5,0 um) og langbølget infrarød (8,0-9,4 um). Stills fra eventuelle supplerende videoer S8 (DMSO) og S9 (glycerol). Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Den vellykkede dannelse af stabile og robuste EHD flydende broer kræver opmærksomhed til visse enkle, men vigtige detaljer. Det er vigtigt, at den ioniske ledningsevne af opløsningerne være så lav som praktisk (fx 1-5 uS / cm). Vær opmærksom på at vandforurening kan resultere i øget ledningsevne for visse polære væsker (fx glycerol). Vask Alle glasvarer godt at være opmærksom på omhyggelig skylning, der kun anvendes glasvarer fri overfladeforurening eller bue induceret brandmærker. Generelt er det god praksis at bære handsker, når håndtering af alle former for udstyr for at forhindre hud olier og salte i at forurene eksperimentet. Elektroderne bør sonicated i flere minutter i opløsningsmidlet under studiet, og det anbefales, at disse er "brændt ind" ved at køre en uudstrakt bro for 30-45 min ved høje aktuelle værdier (f.eks, 3-5 mA) for at reducere sekundære elektrode reaktioner. Høj renhed (f.eks,> 99,9%) ædelmetaller fungerer bedst som elektrode materialer og bør have et areal, således at fastholde de lave strømtætheder i størrelsesordenen 10 A / m² for at reducere lokal opvarmning.

I tilfælde af broer, der har dårlig stabilitet eller er vanskelige at starte det anbefales først at bekræfte ledningsevne er ~ 1 uS / cm, og at der ikke er uvedkommende puljer af væske, der kan tillade en alternativ strømbanen. Det anbefales generelt, at alle overflader være så tør som muligt, være særlig opmærksom på tynde film, som kan danne mellem fartøjer og isoleringsplader. Hvis gnistdannelse opstår interrupt magt og mindske spændingen værdi, så genanvende effekt som vedvarende arcing vil resultere i "forkulning" af berørte områder, der kan reducere bro stabilitet eller forhindrer bro tænding alle sammen. Hvis der er strøm til systemet over tærsklen spænding og ingen bro former en isoleret glas stang kan bruges til at trække væsken opad mod the kontaktpunkter (fx bægerglas render) mellem de to skibe. Hvis systemet fortsætter med at opføre sig på en ustabil måde rengøre udstyret og starte forfra med frisk væske. Sker dette ikke, anbefales det at tage opgørelse over omgivelserne som store metalgenstande, materialer, der understøtter statisk ladning, eller stærke luftstrømme kan forstyrre broen og / eller det elektriske felt, der understøtter det.

Den eksperimentelle system, der let kan tilpasses til at passe materialer almindeligt tilgængelige i de fleste laboratorier. Væskebeholdere kan være fra næsten enhver kompatibel materiale og særlig opmærksomhed bør rettes mod brændbarhed containeren eller flydende fase i tilfælde af elektrisk bue; for eksempel teflon vil generere farlige gasser, når de brændes. Elektrode form, placering, og materiale kan også ændres til at passe til de begrænsninger af en given opstilling. Typisk plane elektroder fremstillet af folie anvendes, men ledning kan også anvendes, så længe de nuværende retningslinjer massefylde tages i betragtning. Den anvendte elektriske felt kan være ren DC, ren AC eller DC forudindtaget AC. Alle vil producere flydende broer inden den frekvensafhængige måleområde for væsker, der er beskrevet i litteraturen om electrowetting på dielektriske (EWOD) og dielektroforese (DEP) 9, som definerer et svar frekvensområdet mellem 20 Hz til 20 kHz for moderate spændinger. Højere frekvensområder kan også generere broer, selv om disse ikke er blevet eksplicit testet og nogle arbejdere har rapporteret den nedre grænse for AC lodrette broer til at være 50 Hz 42. Orientering til tyngdekraften også let ændres, så længe et system kan udformes til at tilbyde gratis flydende overflader, der er stabile uden et elektrisk felt. Eksperimenter er blevet udført i fravær af gravitation 41, som viste, at disse broer har en afhængighed af den stabiliserende indflydelse af tyngdekraften, som opretholder den fine balance af kræfter i en flydende bro.

ent "> EHD flydende broer er et nyt værktøj, der kan føjes til repertoiret af mange naturvidenskabelige applikationer. de tillader udforskning af samspillet mellem bulk-og overflade kræfter med udvendigt påført elektriske felter. De åbner mulighed for at undersøge nye former for blande forskellige væsker 37, skiftende kemiske reaktionskinetik 52, protontransport 44,45, og undersøge reaktionen af biologiske systemer til sådanne betingelser 53 Desuden disse broer giver direkte adgang til den flydende overflade uden fysisk udstrækning på strukturer, der allerede har givet ny. spektroskopiske oplysninger om dynamikken i flydende vand 28 og hints ikke kun på eksistensen af en elektrisk styret tilstand afbryder hvor nye bulkegenskaber dukke 31, men på potentialet for at undersøge væske-væske faseovergange 54 gennem en helt ny metode. Den udbredte industriel anvendelse af EHD processer (fx 26 og elektrospray 32,33 metoder) helt sikkert kan drage fordel af den yderligere undersøgelse af disse nært beslægtede fænomener.

Acknowledgments

Dette arbejde blev udført i rammerne for TTIW samarbejdsvilje Wetsus, center for teknologi bæredygtig vand (www.wetsus.nl). Wetsus er finansieret af det hollandske økonomiministerium, EU Fond for Regionaludvikling, provinsen Fryslân, byen Leeuwarden og EZ / Kompas program af "Samenwerkingsverband Noord-Nederland". Forfatterne vil gerne takke deltagerne i forskningen temaet "Applied Vand Fysik" for de frugtbare drøftelser 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

Fysik flydende vand bro polære dielektriske væsker flydende bro electrohydrodynamics termografi dielektroforese electrowetting Sumoto effekt Armstrong effekt
Fremstillingen af ​​elektrohydrodynamisk Bridges fra Polar Dielektriske Væsker
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