Waiting
Login processing...

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

Engineering

De voorbereiding van elektrohydrodynamische Bruggen van Polar diëlektrische vloeistoffen

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

Horizontale en verticale elektrohydrodynamische vloeibare bruggen zijn eenvoudige en krachtige tools voor het verkennen van de interactie van hoge intensiteit elektrische velden en polaire diëlektrische vloeistoffen. De bouw van de basis apparatuur en operationele voorbeelden, zoals thermografische beelden, voor drie vloeistoffen (bijvoorbeeld water, DMSO en glycerol) wordt gepresenteerd.

Abstract

Horizontale en verticale vloeibare bruggen zijn eenvoudige en krachtige tools voor het verkennen van de interactie van hoge intensiteit elektrische velden (8-20 kV / cm) en polaire diëlektrische vloeistoffen. Deze bruggen zijn uniek capillaire bruggen doordat zij vertonen uitrekbaarheid dan een paar millimeter, complexe bidirectionele massaoverdracht patronen en stoten niet-Planck infraroodstraling. Een aantal gemeenschappelijke oplosmiddelen zoals bruggen en lage geleidbaarheid oplossingen en colloïdale suspensies. De macroscopische gedrag wordt geregeld elektrohydrodynamica en verschaft een middel van het bestuderen fluïdumstroming verschijnselen niet aanwezig vaste wanden. Vóór het begin van een vloeistofbrug aantal belangrijke verschijnselen worden waargenomen zoals uitlopende meniscus hoogte (electrowetting), bulk vloeistofcirculatie (de Sumoto effect) en het uitwerpen van geladen druppeltjes (elektrospray). De interactie tussen het oppervlak, polarisatie, en verplaatsingskrachten kan direct worden onderzochtvariërende aangelegde spanning en brug lengte. Het elektrisch veld, bijgestaan ​​door de zwaartekracht, stabiliseert de vloeistof brug tegen de Rayleigh-Plateau instabiliteiten. Constructie van basisapparaat voor zowel verticale als horizontale richting samen met operationele voorbeelden, waaronder thermografische beelden, drie vloeistoffen (bijvoorbeeld water, DMSO en glycerol) behandeld.

Introduction

De interactie tussen elektrische velden en materie resulteert in een aantal ontwikkelende krachten in het materiaal bulkvloeistof. In real vloeibare diëlektrische systemen niet van onbeduidende veldgradiënten en symmetriebreking geometrieën resulteren in een aantal schijnbaar bijzondere effecten. Hertz was een van de eerste om de rotatiebeweging in vloeistof-vaste diëlektrische systemen 1 toelichting. Quincke opgemerkt dat de grensvlakspanning tussen twee vloeistoffen niet alleen veranderd door toepassing van een extern elektrisch veld, maar dat deze verandering leidde tot het uitoefenen van krachten op het fluïdum lichaam en kan worden gebruikt om rotatiebeweging 2 induceren. Armstrong ontdekte de drijvende brug het water in 1893 3, die een raadselachtige partij truc tot voor kort bleef toen Fuchs en collega's onderzocht massa en lading transport monteurs 4,5 en heropend serieus wetenschappelijk onderzoek naar de mechanismen die deze bruggen vormen. Elektrische velden hebben de ability om vloeistoffen op te heffen tegen de kracht van de zwaartekracht als werk Pellat op diëlektrische vloeistof stijging tussen parallelle plaat elektroden toont 6. Deze lifting actie toont een frequentie-afhankelijkheid en uiteindelijk kan via de Maxwell spanningstensor 7 worden beschreven. Dit is belangrijk bij het ​​overwegen van de zeespiegelstijging vloeistof geassocieerd met elektrohydrodynamische (EHD) vloeibare bruggen die onder AC voorwaarden vertonen een frequentie afhankelijkheid 8 vergelijkbaar met electrowetting op diëlektrische (EWOD) en dielectrophoretic (DEP) massastroom 9. Bovendien is de toepassing van hoge potentiële elektrische velden is belangrijk bij het ​​beheersen vloeistofstraal breken en de interactie van het elektrische veld met vloeistoffen essentieel voor het begrijpen van het industrieel belangrijke proces van electrospray verneveling 10,11.

Een extern elektrisch veld niet alleen de oppervlakte-energie beïnvloeden. Door de werking van polarisatie en afschuifspanning stromingspatronen kunnenworden vastgesteld. Een voorbeeld is de circulatie van vloeistoffen in aanwezigheid van inhomogene elektrische velden. Hierbij electroconvective stromingen zijn gevestigd in de natte bulk gedreven door schuifspanningen. Sumoto aangetoond dat een fluïdum motor kan worden gebouwd met een glazen rotor dat ofwel een polaire vloeistof of een metalen staaf ondergedompeld in een apolair diëlektrische bad en geplaatst in een inhomogeen elektrisch veld 12. Latere analyse door Okano gebruikt een homogeen veld benadering 13 de rotatie probleem dat alleen kwalitatief kan overeenkomen met de experimentele resultaten lossen en vereist de diëlektrische vloeistoffen te reageren als een enkelvoudige massa. Andere onderzoekers op dit gebied miste het punt volledig als zij verkeerd gemeld en onderzocht het effect Sumoto als vloeistofniveau stijgt 14-16 in reactie op het elektrische veld werk ontwikkeld door Pellat 17. Het belang van symmetrie breken voor de werkwijze lokaliseren en wordt gegenereerd shear stress 18 is essentieel om te begrijpen voor onderzoek naar vloeibare EHD bruggen. Melcher's verhandeling over continuüm elektromechanica 19 biedt een volledige theoretische basis voor de behandeling van bulk vloeistoffen en vereenvoudigt vrije oppervlakken in de isotrope homogene limiet. Het belang oppervlakken niettemin duidelijk zelfs vanuit het oogpunt continuüm het verlies van symmetrie resultaten in shear stress die Toepassen beweging kan genereren. Genomen in het algemene geval van discrete mobiele fluïdum volumes die kunnen worden gepolariseerd en kunnen de resulterende reactiekracht bij benadering de oppervlakte, kan het elektrische veld interactie worden gesubstitueerd in zowel de Navier-Stokes 20 en Bernoulli 7,21,22 betrekkingen aan de veelheid van EMD stromingsverschijnselen waaronder vloeibare bruggen te beschrijven. Nader onderzoek van vloeibare bruggen kan een aantal EMD gebaseerde technologieën zoals inkt-jet printen 23-25, micro-en nano-materialen verwerken 26-28, drug delivery 29 verbeteren, 30, biomedische toepassingen 31,32, en ontzilting 33.

De hier beschreven werkwijzen toegang tot de vorming van EHD vloeistofbruggen die in polaire vloeistoffen waarvan de moleculen bezitten een permanent dipoolmoment. De opgelegde inhomogeen elektrisch veld resulteert in een gedeeltelijke polarisatie van de dipool bevolking waardoor een lokale verandering van de diëlektrische permittiviteit aldus verder versterkt veldgradiënten 18,34,35. Deze polarisatie leidt tot een schuifkracht die afhankelijk van de relatieve intensiteit van het aangelegde veld zal een aantal verschillende vloeibare responsen (zie figuren 4-7) uiteindelijk resulteert in de vorming van een brug te genereren. De vloeistof zal ook de ontwikkeling van een Taylor stromen langs 22,36 elektrodenvlakken name wanneer er een scherpe rand aanwezig op de elektroden. De mogelijkheid ladingsinjectie op scherpe randen bestaat ook en stemt overeen met devorming van heterocharge lagen die electroconvective stromingen in de vloeibare bulk 22 dus het koppelen van de vloeistof brug systeem met de Sumoto effect 12 te genereren. De regerende EHD relaties voor bruggen worden uitvoerig elders voor water en andere polaire vloeistoffen 22,36-38. Deze theoretische benaderingen lijden bepaalde beperkingen die moeten worden overwogen bij het naderen van experimentele gegevens. De Maxwell spanning tensor behandeling 36 is ongevoelig veld heterogeniteiten en ongelijkmatigheden in de vloeibare brug. Een zuivere EHD benadering 37 biedt steady state definities van de electrogravitational nummer en haar relatie tot de brug beeldverhouding; echter, worden de stromingsdynamiek en belangrijke overgangsverschijnselen (bijvoorbeeld bridge creëren) niet voorspeld. Drie dimensieloze getallen zijn nuttig bij het ​​analyseren van de stabiliteit van de brug en worden hier afgeleid zoals eerder gepubliceerd door Marín & Lohse 37 E) is gedefinieerd als de verhouding tussen elektrische en capillaire krachten:

Vergelijking 1

waarbij ε 0 het vacuüm permittiviteit, ε r de relatieve diëlektrische permittiviteit van de vloeistof, E t het elektrisch veld over de brug, γ de oppervlaktespanning, d s en d l worden de verticale en horizontale projecties van de diameter zodanig de gemiddelde diameter D m verkregen. De Bond nummer (Bo) beschrijft de balans tussen ernst en capillaire krachten:

Vergelijking 2

waarbij g de zwaartekrachtversnelling, l de vrije brug lengte, en V het volume brug. De relatie tussenzwaartekracht, capillaire, en elektrische krachten kan worden uitgedrukt in termen van het aantal electrogravitational G E:

Vergelijking 3

De maximale rekbaarheid van een brug heeft betrekking op de aangelegde spanning, terwijl de stroom die door de brug is verbonden met het dwarsdoorsnedeoppervlak en dus de diameter. Deze relaties worden gekoppeld, bepalen de brug volume, en dus definiëren de regio stabiliteit voor een bepaalde bedrijfsvloeistof brug. De karakteristieken voor een water-brug zijn aangegeven in figuur 3, die een lagere drempel waaronder het aangelegde veld te zwak is om de oppervlaktespanning krachten en een bovenste drempel waarboven de massa van de brug is te groot waardoor lekken overwinnen toont die verder verstoort het veld en resulteert in breuk bridge.

De meer algemene treatling van vloeistofbruggen in polaire oplosmiddelen 19,22 bepaalt de gecombineerde druk voorwaarden voor de brugmodus de krachten voor stroomdynamica in de context van een gemodificeerd Bernoulli vergelijking met diëlektrische verschuiving voorwaarden aan de druk term voorspellen. Naast de Onsager relatie voor ion stabiliteit 24 is opgenomen in overeenstemming met experimentele waarnemingen op evenwicht te pompen richting en thermische emissie.

Een aantal polaire vloeistoffen zijn onderzocht waaronder water, lagere alifatische alcoholen (bijvoorbeeld methanol), poly-alcoholen (bijvoorbeeld glycerol), dimethylsulfoxide (DMSO) en andere polaire organische (bijvoorbeeld dimethylformamide). Apolaire diëlektrische vloeistoffen (bijvoorbeeld hexaan) vertonen geen brugvorming. De diëlektrische vloeistoffen in staat de ondersteuning van bruggen tot nu toe bestudeerde 8,22,37 liggen binnen een welomschreven groep van fysische parameters die een goed uitgangspunt fo vestigenr verdere experimenten: lage geleidbaarheid (σ <5 mS / cm), bij statische relatieve permittiviteit (ε = 20-80), matige tot hoge oppervlaktespanning (γ = 21-72 mN / m). Interessant diverse viscositeiten (η = 0,3-987 mPa · s) functioneren binnen deze bruggen. Bij producten met een voldoende hoge viscositeit zoals glycerol kan men een brug direct trekken uit de vloeibare massa (zie figuur 5) en is een belangrijke schakel tussen diëlektroforetische krachten en vloeistofbruggen. Ionaire oplossingen (bijvoorbeeld NaCl (aq)) zeer storend vorming en voorgaande studies 40 overbruggen is aangetoond dat de temperatuur van de brug te vergroten, de lengte te verkleinen het toegepaste spanningsverhouding en uitbreidbaarheid verminderen. Dit probleem wordt grotendeels toegeschreven aan de heffing afscherming van opgeloste ionen naast betere stroomgeleiding dat de koppeling tussen het vloeistofvolume elementen en het elektrische veld vermindert.

<p class = "jove_content"> Op het continuüm niveau EMD verschijnselen ontstaan ​​omdat de nodige druk termen die elektrostrictie vergezellen alleen zijn te vinden op de vloeistof grensvlak 21. Verder is er een relatie tussen de stabiliteit van EHD vloeistofbruggen en de stabiliteit van de interfaces in het systeem. Bij verminderde zwaartekracht experimenten 41 het groeiende oppervlak resulteert in een kracht die de brug uit elkaar scheurt. Ook als de oppervlakte te beperkt is of de subtending contactoppervlak klein de brug zal waarschijnlijk ontwikkelen instabiliteiten. Dit blijkt in bruggen die worden gevoed door slangen of bij verticale bruggen wanneer een elektrode omhoogtrekken van het oppervlak - de verkregen bruggen minder stabiel langetermijnexploitatie zij de karakteristieke stroomdynamica in de situatie waarin missen beide reservoirs hebben een grote vrije oppervlakte. Bruggen die verbindingen met de vloeistof reservoir zich voordoen binnen slangen show Iopgedreven thermische accumulatie en dalende oppervlaktespanning. Het is typerend dat een lucht-interface spontaan zal vormen binnen de slang. Deze voorwaarde beperkt het maximale rekbaarheid en de gemiddelde levensduur van de brug voor nauwe vloeistofbruggen. Open oppervlaktewater bruggen kunnen worden uitgebreid tot 35 mm lengte bij 35 kV dat geen brug zal blijven op zo'n versnellingsspanning opsluiting in de vloeistof bij voorkeur overgaat in een electrospray modus. Eveneens gratis oppervlaktewater bruggen stabiliteit levens bijna 10 uur onder gecontroleerde omstandigheden, terwijl in buis gevoed systemen de levensduur is doorgaans minder dan 2 uur.

EHD verschijnselen worden doorgaans slechts onderzocht op continuüm niveau. Een beperkt aantal studies over de moleculaire basis van vloeibare bruggen zijn uitgevoerd. Een Ramanstudie 42 met behulp van verticale AC bruggen onderzocht de inter-moleculaire OH-stretching band in vergelijking met bulk water. Sommige veranderingen in de scattering profielen na toepassing van het elektrische veld zijn vertegenwoordigd een structureel herkomst. Met behulp van ultrasnelle mid-infrarood pomp-probe spectroscopie op een drijvend water brug 43 de vibrationele levensduur van de OH strekvibratie van HDO-moleculen in een HDO: D 2 O water brug werd gevonden korter (630 ± 50 FSEC) te zijn dan voor de HDO moleculen in bulk HDO: D 2 O (740 ± 40 FSEC), terwijl daarentegen de thermalisatie dynamiek na de vibrationele ontspanning zijn veel langzamer (1,500 ± 400 FSEC) dan in bulk HDO: D 2 O (250 ± 90 FSEC). Deze verschillen in ontspanning energie dynamieken zijn sterke aanwijzingen dat het water brug en bulk water verschillen op moleculaire schaal. Verder onderzoek naar de infraroodstraling van een drijvende brug water bleek een niet-thermische eigenschap die gevolg kunnen zijn van een overgang van een aangeslagen toestand naar de grondtoestand van een proton geleidingsband 44. Een andere, meer recente Ramanstudie reported dat DC water overbrugt er een radiale verdeling van de spectra die indicatief is relatief verschil in de lokale pH tussen de kern en de buitenmantel van de brug 45. De radiale verdeling van fysische eigenschappen binnen EHD vloeistofbruggen wordt verder ondersteund door UV inelastische verstrooiing experimenten 46 die tegengestelde radiale verdelingen geeft de temperatuur en dichtheidsprofielen en kan worden verklaard door hetzij een gradiënt in moleculaire vrijheidsgraden of de aanwezigheid van een tweede fase als nano bubbels. De latere begrip wordt niet door een kleine hoek X-ray scattering studie 47 terwijl het begrip gehinderde rotatie (dwz libraties) wordt ondersteund infrarood spectra 44. De preferentiële stroomrichting in EMD vloeibare bruggen komt voort uit veranderingen in de auto-dissociatie kinetiek. In overeenkomst met het werk van Onsager deze bevinding houdt belofte voor het aansluiten van moleculaire en continuüm niveau verschijnselen <sup> 22. Verder bewijs voor een moleculaire basis EHD verschijnselen wordt gevonden in de waarneming dat thermische emissie van een diëlektrische druppel af lokaal in reactie op het toenemende elektrische veld en bereikt een minimum vlak voor het begin van een brug (zie figuur 7).

EHD vloeistofbruggen geven een mogelijkheid om de wisselwerking tussen de krachten op verschillende lengteschalen onderzoeken en is het specifieke doel van dit werk om een ​​gestandaardiseerde werkwijze voor het produceren van dergelijke bruggen in een aantal vloeistoffen met elke oriëntatie ten opzichte van de zwaartekracht die steunt opkomst van het volledige kenmerkende verschijnselen eerder besproken.

Protocol

1 Algemene aanbevelingen

  1. Draag de hele opzet van het experiment om besmetting te voorkomen door zweet of olie uit handen wegwerp, poedervrije handschoenen.
  2. Reinig alle glaswerk, elektroden en alle andere onderdelen die de vloeistof contact onder studie, met bijzondere aandacht voor de introductie van verontreinigingen die kunnen oplossen in de vloeibare fase te voorkomen.
  3. Met een geleidbaarheidsmeter, meet de elektrische geleidbaarheid van de vloeistof die wordt gebruikt in het experiment en bevestigen dat het ≤1 mS / cm.

2 Experimentele Setup

  1. Horizontale brug systeem (figuur 1a)
    1. Plaats een paar van in hoogte verstelbare platforms op een niveau van niet-geleidend oppervlak. Fix een platform op zijn plaats en monteer de andere platform op een gemotoriseerde lineaire vertaling stadium dat een minimale bewegingsvrijheid van 25 mm heeft.
    2. Secure isolerende platen (figuur 1a, onderdeel j) to the bovenoppervlak van de verstelbare platforms. Gebruik isolerende platen die zijn over-sized, zodat ze nadien de perrons met ten minste 10 mm aan alle kanten. Gebruik voorkomende materialen zoals Teflon, acryl, of vensterglas. Kies de dikte van de afbraak van de geplande maximale spanning te voorkomen.
    3. Sluit de hoogspanning voeding (figuur 1a, onderdeel m) volgens de instructies van de fabrikant.
    4. Soldeer krokodillenklemmen aan het einde van zowel de hoge spanning en massa draden.
    5. Klem ene uiteinde van een draagarm gemaakt van isolerend materiaal op een ring staan ​​met de isolerende staaf uitsteekt horizontaal boven de isolerende platforms.
    6. Monteer de grond en hoogspanningsdraden aan de draagarmen met behulp van verschillende wraps van elektrische tape, nylon draad banden, of andere passende middelen, zodat de alligator clips uitsteken naar beneden boven de geïsoleerde platforms.
    7. Clip een platina-elektrode (figuur 1a, onderdeel k) In elk van de twee krokodillenklemmen.
    8. Plaats de steunarmen zodat de hoge voltage boven het vaste platform en de aarddraad boven het bewegende platform.
  2. Verticale brug systeem (figuur 1b)
    1. Bevestig een niet-geleidend clamp een lineaire translatietafel zodat de klem minimaal 25 mm kunnen reizen. Met deze klem op het vat (figuur 1b, deel i) die wordt verbonden met de aarddraad houden.
    2. Monteer deze vergadering tot een verticale fundatie.
    3. Bevestig een dergelijke niet-geleidende klem lijn en onder de drager de lineaire translatietrap. Met deze klem op het schip dat wordt aangesloten op het hoge voltage te houden.
  3. Maak een "dead-stok" (Zie figuur 1c ter illustratie)
    1. Verkrijgen van een stuk van niet-geleidend stijf materiaal zoals een glas of plastic staafje 30-40 cm lang (Figuur &# 160; 1c, onderdeel p).
    2. Bevestig een stuk geleidend metaal 10-15 cm lang (figuur 1c, deel q) een uiteinde van de stang met meerdere wikkelingen elektrische tape (figuur 1c, deel r) toegepast doorkruist wijze of ander bevestigingsmateriaal.
    3. Gebruik de "dead-stok" om de hoge spanning en massa-elektroden te overbruggen met het metalen uiteinde na de voeding wordt uitgeschakeld om te verzekeren dat het circuit voorafgaand aan de behandeling van apparatuur wordt afgevoerd.

3 Werking van Liquid Bruggen

  1. Horizontale Liquid Bruggen
    1. Vul elk vat (figuur 1a, onderdeel i) met voldoende vloeistof aan de oppervlakte binnen 1-5 mm van de beker uitloop of rand te brengen. Voor de schepen (diameter 60 mm) die in deze demonstratie, gebruiken 67 g vloeibaar water, 74 g voor DMSO, of 84,4 g glycerol.
    2. Plaats de 2 vaartuigen op de isolerende loopt zodat zij Phystisch met elkaar in contact op een enkele locatie, zoals het uitlopen, maar de rechte wand velg zal ook werken.
    3. Pas het platform hoogten zodat de vloeistof alleen zal contact opnemen met de platina-elektrode en niet de krokodillenklem of draad. Besteed aandacht aan de verticale uitlijning, zodat de resulterende brug is horizontaal niveau.
    4. Plaats de platina elektroden in de vloeistof gevulde vaten zodat ze minimaal 15 mm uit het punt waar de brug zal vormen. OPMERKING: Typisch de elektroden geplaatst tussen het midden van het vat en de wand verst van waaruit de twee schepen contact.
  2. Verticale vloeistofbruggen
    1. Gebruik twee schone, afgesloten vaten met een vloeistof-poort, zoals weergegeven in figuur 1b, onderdeel i.
    2. Vul vaartuigen met de vloeistof onder studie zodat er geen luchtbellen.
    3. Plaats een elektrode (Figuur 1b, onderdeel k) in elk vat en sluit de cap de vloeistof op zijn plaats.
    4. De twee afgesloten vaten te bevestigen in de niet-geleidende klemmen (zie 2.2) zodanig dat de openingen naar elkaar wijzen.
    5. Voeg enkele druppels vloeistof naar de opening van de onderste buis zodanig dat een gebogen vloeistofspiegel uitsteekt enkele millimeters boven de glasrand.
    6. Breng het bovenste vat beneden zodat het net raken de onderste vormen een kleine capillaire brug.
    7. Sluit de hoge uitgangsspanning van de voeding (figuur 1b, onderdeel m) naar de onderste vat (stationaire) elektrode terminal en de grond naar de bovenste (vertalen) vaartuig.
  3. High Voltage Operations
    1. Algemene overwegingen
      1. Alvorens verder dat alle oppervlakken droog en dat geen vloeistof pools films of druppeltjes aanwezig op de isolerende platforms.
      2. Vóór de stroom naar het experiment bevestigen dat er geen kortsluiting is en dat er geen grond paths aanwezig die kan leiden personeel of uitrusting die in contact met geactiveerde oppervlakken. Wees er zeker van om alle procedures te volgen en observeren waarschuwingen uitgegeven door de hoge voltage voeding fabrikant. Bij twijfel, vraag advies aan een gekwalificeerde elektricien het veiligheidspersoneel.
      3. Stel de polariteit van de voeding (indien geselecteerd) voorafgaand aan het aanbrengen van de macht. Typisch gebruik positieve polariteit daar dit stabieler bruggen. OPMERKING: negatieve polariteit kan ook worden gebruikt, maar meestal uitgesproken ruimtelading effecten die aanzienlijk kunnen invloed hebben op de fysische eigenschappen van zowel de diëlektrische vloeistof 48 opleveren en een invloed heeft ladingsdichtheid in het experimentele gebied vanwege de functionele verschil in zinken dan inkoop elektronen onder high potentials als overtollige lading op omliggende isolerende ondersteunende structuren kunnen worden gespoten.
      4. Open de stroombegrenzing op de voeding zodat niet meer dan 5-6 mA stroom leveren.
      </ Li>
    2. Kies een van de twee spanning profielen die kunnen worden toegepast - oprit of stap.
      1. Gebruik een spanning oprit bij de eerste start en de prestatie-eigenschappen van de vloeistof zijn nog niet bekend.
        1. Zet het voltage limiet op de stroomtoevoer naar 0 kV te bieden.
        2. Schakel de uitgang van de voeding en langzaam beginnen de spanningsgrens toenemen met een snelheid van ongeveer 250 V / sec.
        3. Neem de spanning waarbij bridge ontbranding optreedt, is dit ongeveer de ontsteking drempelspanning (Vt).
      2. Gebruik een spanning stap snel een spanning op het systeem.
        1. Stel de voedingsspanning grens aan de gewenste waarde boven de drempel die ontsteking werd bepaald met een spanning oprit voor het vloeistofsysteem bestudeerde (zie 3.3.2.1.3).
        2. Schakel de uitgang van de voeding. OPMERKING: Een spanning stap kan resulteren in een boog vormen en het uitwerpen van druppels en kan enkele se nodigseconden lang voordat er een stabiele brug vormen. Vonkoverslag zal ozon en peroxide resulteert in een verhoogde vloeibare geleidbaarheid produceren indien daaraan geen halt voor meer dan een paar seconden. Het wordt aanbevolen om de vloeistof met vers materiaal te vervangen als een boog vormen een probleem.
    3. Het stabiliseren van de brug na de ontsteking.
      1. Bevestig brug ontsteking door het observeren van een gestage stroom van vloeistof tussen beide vaartuigen. OPMERKING: Dit zal doorgaans gebeuren tussen 8-10 kV en zal gepaard gaan met de huidige geleiding tussen 250-500 uA, afhankelijk van de gebruikte vloeistof.
      2. Stem de brug voor uitbreiding door het verhogen van de spanning tot 10-15 kV met stroomverbruik ~ 1.000 uA. OPMERKING: de werkelijke waarde is afhankelijk van de gebruikte vloeistof.
      3. Verleng de brug naar een afstand van ongeveer 1 mm per 1 kV aangelegde spanning, bijvoorbeeld 15 mm voor 15 kV. Eventueel tunen brug verder afhankelijk van de vereisten van het experiment. OPMERKING: Een stabiele brug can bestaan ​​voor vele uren.
  4. Shutdown Procedures
    1. Blus de brug bij de uitgang van de hoogspanning voeding uitschakelen. Wacht enkele seconden voor de voeding condensatoren ontladen en de spanning uitlezing op nul te vallen.
    2. Gebruik de "dead-stok" gebouwd in paragraaf 1.3 te kort de elektrode houders voorafgaand aan de behandeling van alle eerder energiek delen.

4 Imaging

  1. Fringe Projectie
    1. Bereid een binaire rand plaat door het afdrukken van zwarte strepen op transparante folie en bevestig deze aan een opalen diffuser scherm. Voor dit voorbeeld gebruik van een A4 (dwz 297 mm x 210 mm) franje plaat.
    2. Plaats de rand plaat in de voorkant van een backlight, zodat de randen worden geprojecteerd op de gehele experimentele set-up.
    3. Record of foto's of films van de franje patroon met behulp van een aantal digitale camera's.
    4. Track changes in de vloeistof oppervlak, alsmede veranderingen in de optische weglengte van het subtending vloeistof door het analyseren van de beelden die zijn opgenomen in 4.1.3. OPMERKING: Kwantitatieve analyse van de waargenomen veranderingen wordt uitgevoerd via fringe evaluatie met behulp van verschillende software pakketten, zoals het vrij beschikbaar IDEA-programma 49. De specifieke details en overwegingen van extralegale analyse worden elders 49-51 behandeld.
  2. Thermografische Imaging
    1. Stel het dynamische bereik van de thermografische camera volgens de instructies van de fabrikant. OPMERKING: Typisch een twee punts kalibratie die het verwachte bereik temperatuur omvat is voldoende om een ​​goede thermische resolutie bieden. Meest liquide bruggen werken in het temperatuurbereik 20-50 ° C.
    2. Voer een emissiviteitscorrectie en temperatuur kalibratie door het beeldelement het open oppervlak van een volume van de vloeistof onder studie bij temperaturen geschikt voor het experiment.
      1. Vul een vaartuig identiekdat in de experimentele set-up van de vloeistof onder studie bij kamertemperatuur.
      2. Meet de temperatuur van de vloeistof met een onderdompeling thermoprobe zoals type-K thermokoppel.
      3. Neem een ​​afbeelding van de vloeistof in het infrarood.
      4. Verhoog de temperatuur van de vloeistof te verwachten temperaturen in de brug met een kookplaat of magnetron. Opmerking: Dit is typisch niet meer dan 10 ° C beneden het kookpunt van de vloeistof (bijvoorbeeld 90 ° C voor water).
      5. Herhaal de stappen 4.2.2.2 en 4.2.2.3 voor de verhoogde temperatuur vloeibaar.
    3. Plaats de camera iets boven een horizontale brug en niveau met een verticale brug teneinde het opgenomen oppervlak maximaliseren. OPMERKING: als gevolg van de sterke absorptie van de middellange en lange golf infraroodstraling door de meeste polaire vloeistoffen, zal alleen de oppervlaktetemperatuur distributie zichtbaar zijn.
    4. Record infrarood van de brug systeem begint voorafgaand aan waardoor de uitgangen van de power aanbod en doorgaat tot het experiment wordt gesloten of de camera vol is.

Representative Results

Elektrohydrodynamische vloeibare bruggen zijn te onderscheiden van capillaire vloeistof bruggen door drie eigenschappen: 1) stroom, 2) uitbreidbaarheid, 3) thermische emissie; een vergelijking wordt getoond in figuur 2. Vóór aanleggen van spanning kleine capillaire bruggen vaak waarneembaar tussen de twee schepen wanneer het vloeistofniveau ligt met de tuiten in de horizontale configuratie. Ze zijn onvermijdelijk in de verticale configuratie als de afstand minder dan een paar millimeter.

Spanning kan worden toegepast, hetzij in een helling (zie 3.4.2.1 in protocol) of stap (zie 3.4.2.2 in protocol). Spanningen onder de drempelwaarde (Vt) een EHD brug produceren maar kan leiden tot verschillende andere fenomenen zoals vloeibare volumevergroting (figuur 4), stijging van de vloeistofelektrode contactlijn (figuur 5), rotatie en circulatie van de vloeistof bulk (Figuur 6), electrospraying en straalvorming (figuur 7). Vt is een eigenschap van de diëlektrische vloeistof onderzochte, de concentratie en het type bestanddelen aanwezig, evenals de afscherming atmosfeer gebruikt. De drempel voor de ontsteking is ook een functie van scheiding vat. Terwijl brug ontsteking mogelijk scheidingen van vele millimeters de aangelegde spanning moet hoger zijn en een langere rustende periode werden vastgesteld met hevigere electrospraying voordat een stabiele vloeibare verbinding wordt gevormd. Bijvoorbeeld, met water gevulde reservoirs gescheiden door 5 mm, Vt stijgt tot 17-20 kV of hoger.

Zodra Vt is een combinatie van vonkontlading en spuiten merken ontsteking overschreden (figuren 8a, 9a) onmiddellijk gevolgd door de vorming van een dunne brug <1 mm in diameter. Zodra de brug is gevestigd stroom zal gevolgd door zwelling van de brug (de figuren 8b, 9b) aan3-5 mm afhankelijk van de omstandigheden. In veel van de onderzochte vloeistoffen tot nu toe de tijd vanaf brug ontsteking zwelling tussen 10-500 msec en is grotendeels een functie van de aangelegde spanning, scheidingsafstand en vloeibare viscositeit 8,22,37.

In horizontale bruggen stroomrichting is afhankelijk van de specifieke vloeibare omstandigheden. Typisch de netto stroom loopt van de anode naar de kathode, wanneer het hoge voltage polariteit positief is. Na de uitbreiding (figuur 8c) de diameter meestal zal schommelen op lage frequenties tussen 1-10 Hz. Hogere frequentie oscillaties ook optreden en zijn zichtbaar als oppervlaktegolven. Optisch actieve golven dichtheid zichtbaar in de brug lichaam wanneer weer verlicht met een binaire interferentiepatroon. De specifieke reactie functie van het systeem is afhankelijk van zowel het vloeistofsysteem en de voeding kenmerken.

Verticale bruggen zijn in veel opzichten vergelijkbaar met horizontaal degenen; Echter, deze niet het bewijs van een sterke massastroom te laten zien en hebben meestal een overdreven amfora-achtige vorm. Het verhogen van de stuurspanning resulteert in een cilindrische vloeistofkolom en uitbreidbaarheid (figuur 9c) is iets beter dan in horizontale bruggen (bijvoorbeeld 1.25 mm / kV voor water). Net als horizontale bruggen verticale bruggen kunnen vormen zonder direct contact tussen de vloeistof lichamen voorafgaand aan spanning. In dit geval een Taylor kegel wordt waargenomen te vormen op de bovenste hangende druppel. Deze spray naar beneden uitsteken die een stabiele straal die snel zwelt bij contact met de onderste sessiele druppel.

Unlike electrosprays, EHD bruggen in polaire diëlektrische vloeistoffen afvoeren energie in de vorm van zowel thermische als niet-thermische infrarood (IR) straling 44. Thermografische opname van vloeistof bruggen (figuren 7-10) is een handig hulpmiddel voor oppervlakte stroming dynamiek te onderzoeken, alsook voor quantifying de in operando IR actieve distributie van energie. Thermische emissie is grotendeels te danken aan ohmse verwarming en is dus een gevoelige maat ion stabiliteit verschillende vloeistoffen hitte wordt anders gezien hetzelfde energieverlies. Bijvoorbeeld water bruggen (figuur 9c) werken typisch tussen 35-50 ° C en alcohol bruggen lopen een paar graden koeler zowel omwille van lagere dampdruk en de verschillen in ion stabiliteit 39. Een ander voorbeeld hiervan gekoppelde gedrag in aprotisch DMSO waarin lage dampdruk heeft en vormt negatieve ionen die trekken in tegengestelde richting tot de meeste andere polaire vloeistoffen. DMSO bruggen neiging om te werken bij temperaturen rond 100 ° C (figuur 10a). Viscositeit en warmtecapaciteit ook een belangrijke rol bij thermische energie wordt gedissipeerd in het systeem spelen zoals blijkt door verhitting in glycerol bruggen (Figuur 10b).

(Figuren 8d, 9d) totdat een kritische waarde bereikt en Plateau-Rayleigh instabiliteiten verstoren de ligand-achtige bridge (figuren 8e, 9e) in een reeks druppeltjes die migreren in de elektrisch veld. Een andere wijze van brug verstoring normaal alleen in de horizontale configuratie treedt op wanneer de brug diameter te groot resulteert in een hoge massa en een neerwaartse waterstraal. Dit probleem kan leiden tot schommelingen van de brug produceren van een "slingerende" effect dat kan de brug weer destabiliseren tot druppeltjes. Grote brid diameterges kan optreden als gevolg van overmatige hydrostatische druk in een vat door unidirectionele stroming waardoor een overloop; Alternatief verhogen van de spanning naar hoge waarden slechts kleine separatie een wijde brug of "water highway" produceren. Deze grote diameter bruggen kan ook mislukken door het instorten tot een grote druppel die valt naar beneden door de zwaartekracht.

Figuur 1
Figuur 1 Basis uitrusting voor EHD vloeibare brug experimenten. Schematische weergave van de typische horizontale (a) en verticale (b) experimentele systeem voor het maken van EMD vloeibare bruggen. Sommige mechanische details zoals montagepatten en elektrode steunen zijn weggelaten voor de duidelijkheid. De essentiële componenten zijn vloeibare schepen (i), isolerende platforms of mounts (j), elektroden (k), en een hoogspanning voeding (m). Lineaire vertaling niveaus worden aanbevolen voor de veilige scheiding van de twee schepen een keer een brug is gevestigd. The dead stick getoond in paneel (c) is samengesteld uit een stuk van niet-geleidend stijf materiaal (p) een geleidende metalen staaf (q) en verscheidene wikkelingen elektrische tape toegepast Doorkruist wijze of ander bevestigingsmateriaal (r) . Het metalen uiteinde wordt gebruikt om een kortsluiting tussen de twee elektroden te vormen na het sluiten van de experimenten om te verzekeren dat het circuit voorafgaand aan en lossen wordt geloosd. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2 Vergelijking van capillaire en EHD water bruggen.Een horizontale capillair brug overspannen slechts een kleine opening van 1,5 mm (a) dat horizontale EHD bruggen bij drie verschillende voltages 4 kV (b), 6 kV (c), 8 kV (d) makkelijk de gap. Merk op dat EHD bruggen stroom over de uitlopen terwijl een capillaire brug is opgehangen tussen de uitlopen. Ook de verticale capillaire brug (e) een smallere taille (~ 1,5 mm dia.) En kan worden verlengd ~ 3,3 mm tegenstelling verticale EHD bruggen die uitbreidbaar zijn. Drie EHD bruggen aangedreven 4 kV (f), 6 kV (g) en 8 kV (h) op dezelfde scheidingsafstand de capillaire brug getoond. Hogere spanning verhoogt brug taille diameter, stroomsnelheid en verhoogde verwarming door toegenomen vermogensdissipatie in de brug. Een toename van bellenvorming wordt ook waargenomen bij hogere spanningen oplosbaarheid gas afneemt met toenemende temperatuur. De schaal barin alle frames is 1 mm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3 Karakteristieken een vloeibare water brug. De stroom-spanning relatie voor vloeibaar water bruggen bij 0, 5, 10, 15 mm tussenafstand wordt uitgezet. Een lagere drempel waaronder geen vloeistof brug zal vormen (zie inzet foto linksonder), en een bovenste drempel waarboven de bruggen zijn instabiel (inzet foto's 1-4) gebonden het gebied van stabiliteit. Voor de meeste bruggen met enige meetbare verlenging (bijvoorbeeld ≥ 5 mm) de totale energieverlies ligt tussen 10 en 20 watt. De breuk van een brug boven de bovenste drempel volgen vaak een reeks gebeurtenissen vorderen van normale operation (inzet 1), te lekken (inzet 2), slappe (inzet 3), en tenslotte scheuren (inzet 4). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4 Volume expansie. Het gehele vloeistofoppervlak twee schepen te zien stijgen in reactie op het aangelegde elektrische veld met behulp van een geprojecteerde binaire interferentiepatroon. Twee bekers Teflon gevuld met water worden afgebeeld met een verwachte franje patroon op twee verschillende toegepaste a voltages) 0 kV en b) 15 kV. De verandering in de verwachte fringe (paneel c) wordt geanalyseerd met behulp van IDEA 33 software die gebruik maakt van een gefilterde Fourier-transformatie om veranderingen om te zetten in de marge modulatie frequentie naar eenrelatieve hoogte stijgen. De niet-uniformiteit van de gedetecteerde verschuiving wordt veroorzaakt door het lage ruimtelijke frequentie van de geprojecteerde pony en artefacten vanwege de discrete cosinus transformatie gebaseerde fase uitpakken werkwijze. Klik hier om een grotere versie van deze figuur zien.

Figuur 5
Figuur 5 Dielectrophoresis en Electrowetting. De elektromechanische reactie van glycerol tot hoge potentiële elektrische velden. Twee platina-elektroden ondergedompeld in watervrije glycerol 0 kV (a) en 19 kV (b) tonen hoe de vloeistof sterk omhoog wordt gedreven. Bij een wijziging van Pellat experiment de opgeheven volume wordt volledig verwijderd uit de subtending reservoir waardoor een EHD glycerol bridge vastgehouden tussen de twee elektroden (c). Ook bij staafvormige elektroden (d) de contactlijn bevordert de elektrode met toepassing van 15 kV (e) verhogen van de elektroden trekt de vloeistof lichaam omhoog te afgeknotte kegel (f) geeft de verbeterde bevochtiging gegenereerd door de sterke vormen velden. Schaal bars zijn 5 mm. Stills uit aanvullende video's S1 (ac) en S2 (df). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 6
Figuur 6 Sumoto effect zichtbaar in het infrarood. Infrarood afbeelding sequentie van een enkel schip van glycerol in een inhomogeen elektrisch veld geleverd met behulp van een eenvoudige point vliegtuig elektrodegetoond in zichtbaar licht in paneelsysteem (a). Stroom (19 kV DC) wordt aangebracht op t = 0 sec. Lokale oppervlaktekoeling optreedt onder de punt elektrode (t = 15 sec) Deze plaatselijke afkoeling verspreidt over het oppervlak en ontwikkelt heterogeniteiten, het genereren van een rotatiekracht Onmiddellijke aanvankelijk klein en vereist ongeveer 75 seconden zichtbaar worden op het oppervlak. Tijd tussen de frames is 15 sec. Schaalbalk is 10 mm. Stills uit aanvullende video S3. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 7
Figuur 7 Voorontsteking koeling in een verticale brug systeem met 10 mm tussenafstand. De bovenste Taylor kegel en lagere sessiele druppel van een verticaal water brug set-u p worden getoond in close-up tijdens een spanning oprit. De beelden zijn in het lange golf infrarood en vertegenwoordigt de straling meten. Uit de beelden is een gestage afkoeling en rek (ad) van zowel vloeibare oppervlakken als de aangelegde spanning wordt verhoogd bij beide een temperatuur van 1-2 ° C onder initiële (a) vlak voor het uitstoten van een straal (e) van de bovenste Taylor kegel. De onderste druppel terugdeinst vooraf van de geladen jet maar snel toetreedt na contact (ef), de emissie stijgt snel als een stabiele EHD vloeistof brug is gevestigd (g). Temperatuurverlaging werd bevestigd middels een vezeloptische thermo-probe. De onderste sessiele druppel is ~ 2 ° C warmer dan de bovenste conus door bediening eerder; typisch de hoogspanning vaartuig een iets hogere temperatuur bereiken. Stills uit aanvullende video's S4 (top kegel) en S5 (onderste druppel).uploaden / 51819 / 51819fig7highres.jpg "target =" _blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8 Thermografische beelden van een horizontale water brug van de ontsteking tot uitsterven. Vertegenwoordiger reeks composiet mid-wave (3,7-5,0 micrometer) en lange golf (8,0-9,4 micrometer) infraroodbeelden karakteriseren van de operationele fase voor horizontale vloeistof bruggen getoond voor water: (a) ontsteking, (b) de uitbreiding, (c) uitbreiding, (d) stabilisatie, (e) uiteenvallen. In dit beeld sequentie werd de brug gedoofd door het verwijderen van het systeem van stroom. Stills uit aanvullende video-S6. Klik hier om te bekijkengrotere versie van deze figuur.

Figuur 9
. Figuur 9 thermografische beelden van een verticaal water brug van de ontsteking tot uitsterven Vertegenwoordiger reeks lange golf infrarood (7,5-9,0 micrometer) beelden karakteriseren van de operationele fase voor verticale vloeibare bruggen getoond voor water: (a) ontsteking, (b) uitbreiding , (c) gereduceerde spanning, (d) ligand vorming, (e) uiteenvallen in druppeltjes onder invloed van Rayleigh-plateau instabiliteiten. Verstreken tijd wordt weergegeven in msec. De achtergrond contrast werd aangepast in de laatste frames om druppel visualisatie te verbeteren. Stills uit aanvullende video-S7. Klik hier om een grotere versie te bekijkensie van dit cijfer.

Figuur 10
Figuur 10 thermografische beelden van horizontale bruggen in DMSO en glycerol. Dimethylsulfoxide (DMSO) (a) en glycerol (b) brug emissie in een samenstelling van mid-wave (3,7-5,0 micrometer) en lange golf infrarood (8,0-9,4 urn). Stills uit aanvullende video's S8 (DMSO) en S9 (glycerol). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Discussion

De succesvolle vorming van stabiele en robuuste EHD vloeibare bruggen vergt aandacht te worden besteed aan bepaalde eenvoudige maar belangrijke details. Het is essentieel dat de ionische geleidbaarheid van de oplossing zo laag mogelijk (bijvoorbeeld 1-5 mS / cm). Wees ervan bewust dat water verontreiniging kan resulteren in een verhoogde geleidbaarheid voor bepaalde polaire vloeistoffen (bijvoorbeeld glycerol). Was alle glaswerk goed aandacht te besteden aan een zorgvuldige spoelen, gebruik dan alleen glaswerk vrij te zijn van besmetting van het oppervlak of boog veroorzaakte brandplekken. In het algemeen is het een goede gewoonte om handschoenen te dragen wanneer de behandeling van de apparatuur voor de huid oliën en zouten te voorkomen dat besmetting van het experiment. Elektroden worden gesonificeerd gedurende enkele minuten in het oplosmiddel onder onderzoek en het wordt aanbevolen dat dit "ingebrand" door uitvoeren van niet-uitgebreide brug voor 30-45 min bij hoge stroomwaarden (bijvoorbeeld 3-5 mA) secundaire elektrode verminderen reacties. Hoge zuiverheid (bijvoorbeeld> 99,9%) Edelmetalen werken het beste als elektrode materialen en moeten voldoende oppervlakte hebben om zo laag huidige dichtheden in de orde van 10 A / m² te behouden om zo de plaatselijke verwarming te verminderen.

Bij bruggen die slechte stabiliteit of moeilijk te starten adviseren eerst bevestigen geleidbaarheid ~ 1 pS / cm en dat er geen vreemde pools vloeistof die een alternatieve stroomrichting kunnen toestaan. In het algemeen wordt aanbevolen dat alle oppervlakken zijn zo droog mogelijk, speciale aandacht besteden aan dunne films die kunnen vormen tussen schepen en isolerende platen. Als boogvorming optreedt interrupt en verkorten spanning opnieuw toepassen vermogen aangezien aanhoudende vonken resulteert in de "verkolen" van getroffen gebieden die brug stabiliteit verminderen of voorkomen bridge ontsteking allemaal samen. Als de stroom wordt toegepast op het systeem boven de drempelspanning en geen brug vormt een isolerende glazen staaf kan worden gebruikt om de vloeistof omhoog naar th trekkene contactpunten (bijvoorbeeld beker tuiten) tussen de twee schepen. Als het systeem nog steeds te gedragen op een onstabiele wijze reinigen van de apparatuur en opnieuw te beginnen met verse vloeistof. Bij gebreke daarvan, is het raadzaam om de inventaris van de omgeving te nemen als grote metalen voorwerpen, materialen die statische lading, of de sterke luchtstromingen kunnen de brug en / of het elektrisch veld die het ondersteunt verstoren ondersteunen.

Het experimentele systeem eenvoudig worden aangepast om materialen algemeen beschikbaar in de meeste laboratoria passen. Liquid containers kan van bijna elke compatibele materialen en bijzondere aandacht moet worden besteed aan de brandbaarheid van de container of de vloeibare fase in het geval van elektrische boog; bijvoorbeeld Teflon zich gevaarlijke gassen genereren wanneer verbrand. Elektrode vorm, plaatsing, en het materiaal ook worden aangepast aan de beperkingen van een bepaalde set-up aan te passen. Typisch planaire elektroden gemaakt van folie worden gebruikt, maar draden kunnen ook worden gebruikt, zolang als de huidige richtlijnen dichtheid in aanmerking worden genomen. Het aangelegde elektrische veld kan zuivere gelijkstroom, zuiver AC, DC of AC voorspanning. Alle zullen vloeistofbruggen binnen de frequentieafhankelijke meetgebied produceren voor vloeistoffen in de literatuur beschreven op electrowetting diëlektrische (EWOD) en diëlektroforese (DEP) 9 die een frequentiegebied tussen 20 Hz en 20 kHz voor matige spanningen bepalen. Hogere bereiken frequentie kan ook bruggen te genereren, hoewel deze niet expliciet getest en sommige werknemers hebben gemeld de ondergrens voor AC verticale bruggen tot 50 Hz 42 zijn. Oriëntatie zwaartekracht is ook gemakkelijk zo lang als systeem uit te werken om vrije vloeistofoppervlakken die stabiel zijn zonder een aangelegd elektrisch veld verschaffen gewijzigd. Experimenten zijn uitgevoerd bij afwezigheid van de zwaartekracht 41 die aantoonden dat deze bruggen afhankelijkheid van de stabiliserende invloed van de zwaartekracht die het delicate evenwicht van krachten in een vloeistofbrug handhaaft.

ent "> EHD vloeistof bruggen zijn een nieuw instrument dat kan worden toegevoegd aan het repertoire van vele natuurwetenschappelijke toepassingen. Ze maken de verkenning van de wisselwerking van de bulk en de oppervlakte krachten met extern aangebrachte elektrische velden. Ze openen de mogelijkheid om nieuwe middelen te onderzoeken mengen van verschillende vloeistoffen 37; veranderende kinetica 52; proton transport 44,45 en onderzoekt de respons van biologische systemen om dergelijke omstandigheden 53 Naast deze bruggen maken een directe toegang tot het vloeistofoppervlak zonder fysiek staalkaart structuren die reeds nieuw heeft opgeleverd. spectroscopische gegevens over de dynamiek in vloeibaar water 28 en hints niet alleen het bestaan ​​van een elektrisch gestuurde toestandschakelaar waardoor nieuwe bulkeigenschappen ontstaan ​​31 maar potentieel vloeistof-vloeistof faseovergang 54 onderzocht door een geheel nieuwe methode. Het wijdverbreide industriële toepassing van EHD processen (bijvoorbeeld 26 en elektrospray 32,33 methoden) zeer zeker kunnen profiteren van de verdere studie van deze nauw verwante verschijnselen.

Acknowledgments

Dit werk werd uitgevoerd in het TTIW-samenwerkingskader van Wetsus, centre of excellence voor duurzame watertechnologie (www.wetsus.nl). Wetsus wordt gefinancierd door het Nederlandse Ministerie van Economische Zaken, het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling Unie, de Provincie Fryslân, de gemeente Leeuwarden en de EZ / Kompas-programma van het 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland ". De auteurs willen de deelnemers van het onderzoeksthema 'Applied Physics Water "bedanken voor de vruchtbare discussies en hun financiële steun.

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

Fysica drijvende water brug polaire diëlektrische vloeistoffen vloeibare brug elektrohydrodynamica thermografie dielectrophoresis electrowetting Sumoto effect Armstrong effect
De voorbereiding van elektrohydrodynamische Bruggen van Polar diëlektrische vloeistoffen
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