Ponts horizontaux et verticaux liquides électrohydrodynamiques sont des outils simples et puissants pour explorer l'interaction de haute intensité des champs électriques et diélectriques liquides polaires. La construction de l'appareil de base et des exemples opérationnels, y compris les images thermographiques, pour trois liquides (par exemple, l'eau, le DMSO et le glycérol) est présenté.
Ponts horizontaux et verticaux liquide sont des outils simples et puissants pour explorer l'interaction des champs électriques à haute intensité (8-20 kV / cm) et des liquides diélectriques polaires. Ces ponts sont uniques de ponts capillaires en ce qu 'ils présentent une extensibilité au-delà de quelques millimètres, que les modes de transfert de masse complexes bi-directionnels, et de non-Planck émettre un rayonnement infrarouge. Un certain nombre de solvants courants peut former ces ponts ainsi que des solutions de faible conductivité et de suspensions colloïdales. Le comportement macroscopique est régie par électrohydrodynamique et fournit un moyen pour l'étude des phénomènes d'écoulement de fluide hors de la présence des parois rigides. Avant le début d'un pont de plusieurs phénomènes importants de liquide peut être observée consistant à faire avancer la hauteur du ménisque (d'électromouillage), la circulation de fluide en vrac (effet Sumoto), et l'éjection de gouttelettes chargées (électrospray) de. L'interaction entre la surface, la polarisation, et les forces de déplacement peut être directement examinés parvarier la tension appliquée et la longueur du pont. Le champ électrique, assisté par gravité, stabilise le pont liquide contre les instabilités de Rayleigh-Plateau. Construction d'un appareil de base à la fois pour l'orientation verticale et horizontale ainsi que des exemples d'exploitation, y compris les images thermographiques, pour trois liquides (par exemple, l'eau, le DMSO et le glycérol) est présenté.
L'interaction entre les champs électriques et les résultats de la substance liquide dans un certain nombre de forces évolution dans la masse de matériau. Dans les systèmes réels diélectriques liquides, les gradients de champ non négligeables et la brisure de symétrie géométries se traduisent par un certain nombre d'effets apparemment particulières. Hertz a été l'un des premiers à noter le mouvement de rotation en liquide-solide des systèmes diélectriques 1. Quincke observé que la tension interfaciale entre les deux fluides a été non seulement changé par l'application d'un champ électrique extérieur mais que cette modification a donné lieu à l'exercice d'une force sur le corps de fluide et peut être utilisé pour induire un mouvement de rotation 2. Armstrong a découvert le pont de l'eau flottant en 1893 3, qui est resté un tour du parti énigmatique jusqu'à récemment, lorsque Fuchs et ses collègues ont exploré masse et de charge mécanique de transport 4,5 et rouvert l'enquête scientifique sérieuse sur les mécanismes par lesquels ces ponts font. Les champs électriques ont la Ability soulever les liquides contre la force de gravité en tant que travail de Pellat montée sur liquide diélectrique entre les électrodes à plaques parallèles 6 montre. Cette action de levage montre une dépendance en fréquence et en fin de compte peut être décrite par le tenseur des contraintes de Maxwell 7. Ceci est important lorsque l'on considère la hausse du niveau de liquide associé à (JEP) ponts liquides électrohydrodynamiques qui dans des conditions AC ne montrent une dépendance en fréquence 8 semblable à électromouillage sur diélectrique (EWOD) et diélectrophorétique (DEP) du débit massique 9. En outre, l'application de champs électriques à haut potentiel est important dans le contrôle de jet de liquide et rompre l'interaction du champ électrique avec des liquides est essentiel pour comprendre le processus d'atomisation industriellement important électrospray 10,11.
Un champ électrique externe n'influence pas seulement l'énergie de surface. Grâce à l'action de la polarisation et de la contrainte de cisaillement, la structure des flux peutêtre mis en place. Un exemple en est la circulation de liquides en présence de champs électriques inhomogènes. Par la présente courants electroconvective sont établis dans la masse liquide entraîné par les contraintes de cisaillement. Sumoto démontré qu'un moteur à fluide peut être construit en utilisant un rotor en verre contenant un liquide non polaire ou une tige métallique immergé dans un bain diélectrique non polaire et placé dans un champ électrique non homogène 12. Une analyse ultérieure par Okano utilisé une approximation de champ homogène 13 pour résoudre le problème de rotation qui ne pouvait correspondre qualitativement les résultats expérimentaux et a exigé que les liquides diélectriques pour répondre comme une masse unique. D'autres chercheurs sur le sujet ont manqué le point tout comme ils considérés à tort et ont exploré l'effet Sumoto comme un niveau de liquide monte 14-16 en réponse aux travaux de champ électrique mis au point par Pellat 17. L'importance de la symétrie de la surface de rupture pour le processus de localisation charge et généré stre de cisaillementss 18 est essentiel de saisir pour la recherche sur les ponts de JEP liquides. Le traité de Melcher sur continuum électromécanique 19 fournit une base théorique complète pour le traitement des liquides en vrac et simplifie surfaces libres dans la limite homogène isotrope. L'importance des surfaces est néanmoins clair, même du point de vue de continuum comme la perte des résultats de la symétrie dans la contrainte de cisaillement qui peuvent générer transport en vrac. Pris dans le cas général de discrets volumes de fluide mobiles qui peuvent être polarisés et sont soumis à la force de réaction résultant lors de l'approche de la surface, l'interaction du champ électrique peut être remplacé dans les deux équations de Navier-Stokes et 20 de Bernoulli 7,21,22 relations pour décrire la multitude de phénomènes d'écoulement EHD y compris les ponts liquides. Une étude plus approfondie des ponts liquides peut améliorer un certain nombre de technologies de base telles que JEP à jet d'encre d'impression 23-25, micro-et nano-traitement des matériaux 26-28, l'administration de médicaments 29, 30, 31,32, les applications biomédicales et dessalement 33.
Les procédés décrits ici permettent d'accéder à la formation de ponts liquides JEP qui se trouvent dans des liquides polaires dont les molécules possèdent un moment dipolaire permanent. Les résultats du champ électrique inhomogène imposées à une polarisation partielle de la population de dipôle produisant un changement local de la permittivité diélectrique ainsi renforcer davantage gradients de champ 18,34,35. Cette polarisation donne lieu à une force de déplacement qui, en fonction de l'intensité relative du champ appliqué va générer un certain nombre de réponses liquides (voir les figures 4-7), qui résulte en la formation d'un pont. Le liquide sera également développer un écoulement de Taylor 22,36 le long des surfaces d'électrodes en particulier dans les cas où il existe une arête vive présente sur les électrodes. La possibilité d'injection de charges à bords tranchants existe également et est compatible avec l'formation de couches d'heterocharge qui génèrent des courants electroconvective dans la masse liquide 22 reliant ainsi le système de pont liquide avec l'effet Sumoto 12. Les relations de JEP régissant pour les ponts sont largement couverts par ailleurs pour l'eau et d'autres liquides polaires 22,36-38. Ces approches théoriques souffrent certaines restrictions qui doivent être considérés lorsque vous approchez des données expérimentales. Le Maxwell contrainte traitement tenseur 36 est insensible aux hétérogénéités de champ ainsi que les non-uniformités dans le pont liquide. Une approche EHD pur 37 fournit des définitions de l'état d'équilibre du nombre electrogravitational et sa relation avec le rapport d'aspect de pont; Toutefois, la dynamique des écoulements et phénomènes transitoires importants (par exemple, la création de pont) ne sont pas prévisibles. Trois nombres sans dimension sont utiles lors de l'analyse de la stabilité du pont et sont dérivées ici comme précédemment publié par Marín et Lohse 37 </sjusqu'à>. Le nombre électrocapillaire (Ca E) est défini comme le rapport entre les forces capillaires et électriques:
où ε 0 est la permittivité du vide, ε r la permittivité diélectrique relative du liquide, E t est le champ électrique à travers le pont, γ est la tension de surface, d s et d l sont les projections verticales et horizontales du diamètre, de sorte que pour obtenir le diamètre moyen D m. Le nombre de Bond (Bo) décrit l'équilibre entre les forces de gravité et capillaires:
où g est l'accélération de la pesanteur, l est la longueur du pont libre, et V est le volume de pont. La relation entregravitationnelle, capillaire, et les forces électriques peuvent être exprimés en termes de nombre electrogravitational G E:
L'extensibilité maximale d'un pont est liée à la tension appliquée alors que le courant traversant le pont est lié à l'aire de section transversale et par conséquent le diamètre. Ces relations sont couplés, déterminer le volume de pont, et ainsi définir la région de stabilité pour un pont de liquide de fonctionnement donné. Les courbes caractéristiques pour un pont d'eau sont donnés dans la Figure 3 qui représente un seuil inférieur en dessous de laquelle le champ appliqué est trop faible pour vaincre les forces de tension de surface et une limite supérieure au-dessus de laquelle la masse du pont est trop important entraînant une fuite qui en outre perturbe le domaine et les résultats de rupture de pont.
Le traitement plus généralment des ponts liquides dans des solvants polaires 19,22 fournit les conditions de fonctionnement de pression combinés avec le pont de prédire les forces qui régissent la dynamique d'écoulement dans le contexte d'une équation de Bernoulli modifiée avec le plan de déplacement électriques ajoutées à la durée de la pression. En outre, la relation Onsager pour la stabilité des ions 24 est constituée en accord avec les observations expérimentales sur l'équilibre et le sens de pompage émission thermique.
Un certain nombre de liquides polaires ont été étudiés, y compris l'eau, les alcools aliphatiques inférieurs (par exemple, le methanol), des poly-alcools (par exemple, le glycerol), le diméthylsulfoxyde (DMSO) et d'autres composés organiques polaires (par exemple diméthylformamide). Des liquides diélectriques non polaires (par exemple, l'hexane) ne présentent pas de formation pont. Les liquides diélectriques capables de supporter les ponts jusqu'à présent étudiés 8,22,37 mensonge dans un groupe bien défini de paramètres physiques qui établissent un bon point de départ for une expérimentation plus poussée: faible conductivité (σ <5 S / cm), la permittivité relative statique modérée (ε = 20-80), modérée à haute tension superficielle (γ = 21-72 mN / m). Il est intéressant d'une large gamme de viscosités η = (0,3 à 987 mPa · s) en oeuvre de tels ponts. Dans les liquides avec viscosité suffisamment élevée tels que la glycérine, il est possible de tirer un pont directement à partir du vrac liquide (voir Figure 5) et est un lien important entre les forces diélectrophorétiques et ponts liquides. Des solutions ioniques (par exemple, du NaCl (aq)) sont très perturbatrice pour combler la formation et dans des études précédentes ont été 40 démontré que l'augmentation de la température du pont, de diminuer le rapport de longueur à la tension appliquée, et à réduire l'extensibilité. Ce comportement est en grande partie attribuable à l'effet des frais de blindage d'ions dissous ainsi que l'augmentation conduction qui réduit le couplage entre les éléments de volume de fluide et le champ électrique.
<p class = "jove_content"> Sur les phénomènes de JEP au niveau du continuum se pose tout simplement parce que les conditions de pression nécessaires qui accompagnent électrostriction ne se trouvent à l'interface liquide 21. En outre, il existe une relation entre la stabilité de ponts liquides EHD et la stabilité des interfaces du système. Dans le cas des expériences de microgravité 41 les résultats expansion de surface dans une force qui déchire le pont de l'autre. De même, si la surface est trop limitée ou la zone de contact sous-tendant petit pont se développeront probablement des instabilités. Ceci peut être illustré dans les ponts qui sont alimentés par des tubes ou dans le cas des ponts verticaux dans lesquels une électrode est tiré vers le haut à partir de la surface – les ponts résultants sont moins stables dans le fonctionnement à long terme car ils n'ont pas la dynamique d'écoulement typiques trouvés dans la situation où deux réservoirs ont une grande surface libre. Ponts dont les liens avec le réservoir de liquide sont confinés à l'intérieur des tubes spectacle iaccumulation thermique et ncreased chute de tension superficielle. Il est caractéristique que d'une interface d'air former spontanément à l'intérieur de la tubulure. Cette condition limite à la fois l'extensibilité maximale ainsi que la durée de vie moyenne du pont pour les ponts liquides confinés. Ouvrir ponts d'eau de surface peuvent être étendus à 35 mm de longueur à 35 kV alors qu'aucun pont persistera à une telle tension d'accélération en isolement comme le liquide transitions de préférence dans un mode électrospray. De même, les ponts d'eau de surface libre ont des durées de vie de stabilité approchant 10 h dans des conditions contrôlées, alors que dans les systèmes de tube alimenté la durée de vie est généralement inférieure à 2 heures.phénomènes de JEP sont généralement considérés comme seulement au niveau de continuum. Un nombre limité d'études sur la base moléculaire des ponts liquides ont été menées. Une étude Raman 42 l'aide de ponts ca verticales étudié la bande OH-étirement inter-moléculaire par rapport à l'eau en vrac. Certains changements dans la scprofils attering après l'application du champ électrique se révèlent avoir une origine structurelle. En utilisant la spectroscopie de la sonde de la pompe à mi-infrarouge ultrarapide sur un pont flottant d'eau 43 la durée de vie de vibration de l'étirement vibration OH des molécules HDO contenue dans un HDO: D 2 O pont de l'eau s'est avérée être la plus courte (630 ± 50 fs) que pour les molécules HDO HDO en vrac: D 2 O (740 ± 40 fs), alors que par contre, la dynamique de thermalisation qui suivent la relaxation de vibration sont beaucoup plus lentes (1500 ± 400 fs) de HDO en vrac: D 2 O (250 ± 90 fs). Ces différences dans la dynamique de relaxation de l'énergie indiquent fortement que le pont de l'eau et de l'eau en vrac diffèrent à l'échelle moléculaire. En outre, la recherche sur l'émission infrarouge d'un pont flottant d'eau a révélé une caractéristique non thermique qui pourrait être due à une transition d'un état excité à l'état d'un proton bande de conduction 44 du sol. Une autre étude plus récente reporte Ramand que l'eau en continu un pont, il ya une distribution radiale dans le spectre qui est indicatif de la différence relative de pH local entre le noyau et l'enveloppe extérieure du pont 45. La distribution radiale des caractéristiques physiques à l'intérieur des ponts liquides EHD est en outre étayée par UV inélastique des expériences de diffusion 46 qui donne les distributions radiales contradictoires dans les profils de température et de densité et peut s'expliquer soit par un gradient en degrés moléculaires de liberté ou de la présence d'une phase secondaire sous forme de bulles nano. Le concept ultérieure n'est pas pris en charge par un petit angle X-ray étude de diffusion 47 alors que le concept de rotation encombrée (c.-à-librations) est pris en charge à partir des spectres d'émission infrarouge 44. Le sens d'écoulement préférentiel dans les ponts liquides JEP résulte des variations de la cinétique auto-dissociation. En accord avec le travail de Onsager cette constatation est prometteuse pour relier les phénomènes au niveau moléculaire et continus <sup> 22. Une preuve supplémentaire de la base moléculaire de EHD phénomènes se trouve dans l'observation que l'émission thermique de la gouttelette diminue localement diélectrique en réponse à l'augmentation du champ électrique et atteint un minimum juste avant le déclenchement d'un pont (voir figure 7).
ponts liquides JEP présentent une occasion d'examiner l'interaction entre les forces à des échelles de longueur multiples et c'est le but spécifique de ce travail de fournir une méthode normalisée pour la production de ces types de ponts dans un certain nombre de liquides avec une orientation par rapport à la gravité qui prend en charge la émergence de l'ensemble des phénomènes caractéristiques discuté précédemment.
La formation réussie de ponts liquides EHD stables et robustes nécessite d'attention soit accordée à certains détails simples mais importantes. Il est essentiel que la conductivité ionique de la solution soit aussi faible que possible (par exemple, de 1 à 5 S / cm). Soyez conscient que la contamination de l'eau peut entraîner une augmentation de la conductivité pour certains liquides polaires (par exemple, glycérol). Laver tous les verrerie bien attention à rinçage soigneux, utilisez uniquement la verrerie exempt de contamination de surface ou arc induit des marques de brûlures. En général, il est recommandé de porter des gants lors de la manipulation d'équipement pour éviter que les huiles de la peau et des sels de contaminer l'expérience. Les électrodes doivent être exposés à des ultrasons pendant plusieurs minutes dans le solvant à l'étude et il est recommandé que ceux-ci sont «gravée» en exécutant un pont non étendu pendant 30-45 min à fortes valeurs de courant (par exemple, 3-5 mA) pour réduire électrode secondaire réactions. Haute pureté (par exemple,> 99,9%métaux nobles) le mieux comme matériaux d'électrode et doivent avoir une surface suffisante de façon à maintenir de faibles densités de courant de l'ordre de 10 A / m² afin de réduire l'échauffement local.
Dans le cas des ponts qui ont une mauvaise stabilité ou sont difficiles à démarrer Il est recommandé de confirmer première conductivité est ~ 1 S / cm et qu'il n'y a pas piscines étrangères de liquide qui peuvent permettre à une voie de courant alternatif. En général, il est recommandé que toutes les surfaces soient aussi sec que possible, accorder une attention particulière à couches minces qui peuvent former entre les navires et les plaques isolantes. Si un arc se produit la puissance d'interruption et de réduire la valeur de la tension puis appliquez de nouveau pouvoir comme un arc soutenu entraînera la "carbonisation" des zones touchées qui peuvent nuire à la stabilité de pont ou de prévenir pont allumage tous ensemble. Si l'alimentation est appliquée au système-dessus de la tension de seuil et aucune forme de pont d'une tige de verre isolant peut être utilisé pour aspirer le liquide vers le haut vers epoints de e de contact (par exemple, les becs de bécher) entre les deux navires. Si le système continue à se comporter de façon instable nettoyer l'équipement et recommencer avec un liquide frais. A défaut, il est recommandé de faire l'inventaire de l'environnement que les grands objets, des matériaux qui supportent la charge statique, ou forts courants d'air peuvent perturber le pont et / ou le champ électrique qui la soutient métalliques.
Le système expérimental est facilement modifié pour s'adapter matériaux couramment disponibles dans la plupart des laboratoires. Contenants de liquides peuvent être de presque n'importe quel matériau compatible et une attention particulière devrait être accordée à l'inflammabilité du conteneur ou de la phase liquide en cas d'arc électrique; par exemple Teflon va générer des gaz dangereux lorsqu'il est brûlé. forme de l'électrode, le placement, et le matériel peuvent également être modifiés pour répondre aux contraintes d'un set-up donné. Typiquement électrodes planaires à base de feuille métallique sont utilisées, mais peuvent également être utilisés à condition que les instructions de densité de courant sont pris en considération. Le champ électrique peut être appliqué pur courant continu, alternatif pur, DC ou AC polarisée. Tout se produire ponts liquides à l'intérieur du tributaire gamme de réponse en fréquence pour les liquides décrits dans la littérature sur l'électromouillage sur diélectrique (EWOD) et une diélectrophorèse (DEP) 9 qui définissent une plage de fréquences de réponse entre 20 Hz et jusqu'à 20 kHz pour des tensions modérées. Plages de fréquences plus élevées peuvent également générer des ponts bien que ceux-ci n'ont pas été explicitement testée et certains chercheurs ont rapporté la limite inférieure pour les ponts verticaux alternatifs à 50 Hz 42. Orientation de gravité est également facilement modifiée dans la mesure où un système peut être conçu pour fournir des surfaces liquides libres, qui sont stables sans champ électrique appliqué. Des expériences ont été menées en l'absence de gravité 41, qui a montré que ces ponts ont une dépendance à l'influence de la gravité de stabilisation qui maintient l'équilibre délicat de forces dans un pont liquide.
ent "> ponts liquides EHD sont un nouvel outil qui peut être ajouté au répertoire de nombreuses applications de sciences naturelles. Ils permettent l'exploration de l'interaction des forces de surface et de volume avec des champs électriques appliqués de l'extérieur. Ils ouvrent la possibilité d'examiner de nouveaux moyens de le mélange de différents liquides 37; changer la cinétique chimique 52; transport des protons 44,45, et l'examen de la réponse des systèmes biologiques à ces conditions 53 En outre, ces ponts permettent d'accéder directement à la surface du liquide sans structures sous-tendant physique qui a déjà donné des nouvelles. informations spectroscopiques sur la dynamique de l'eau liquide 28 et fait allusion non seulement à l'existence d'un interrupteur commandé électriquement de l'État dans lequel de nouvelles propriétés en vrac émergent 31, mais à la possibilité d'examiner liquide-liquide transitions de phase 54 par une méthode entièrement nouvelle. L'application industrielle généralisée des processus de JEP (par exemple, </em>, électrofilature 26, et électrospray 32,33 méthodes) très certainement peuvent bénéficier d'une étude plus approfondie de ces phénomènes étroitement alliés.The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été réalisé dans le cadre ITT de coopération de Wetsus, centre d'excellence pour la technologie durable de l'eau (de www.wetsus.nl). Wetsus est financé par le ministère néerlandais des Affaires économiques, le Fonds européen de développement régional de l'Union, la province de Frise, la ville de Leeuwarden et le programme EZ / Kompas du «Samenwerkingsverband Noord-Nederland". Les auteurs tiennent à remercier les participants du thème de recherche "Physique Appliquée de l'eau" pour les discussions fructueuses et leur soutien financier.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Borosilicate Crystallization Dishes | VWR | 216-0064 | |
Double walled roundbottom flask with GL14 and GL8 openings along with 6mm 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 MOhm water prior to use |
HVPS | FUG GmbH | HCP 350-65000 | 65 kVDC @ 5mA maximum output |
Fiber Optic Temperature Probe System | OpSens | OTG-F Sensor/ XXX-XXX Control Unit | Readout speed 1 kHz, accuracy 0.01K, probe size 120 um |
Long Wave Infrared Camera | IRCAM GmBH | Taurus 110K L | 168 FPS 384×288 Sensitivity <30mK |
Long Wave Infrared Camera | FLIR | FLIR 620 | 30 FPS 640×480 pixel Sensitivity to <45mK |
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 MOhm Water | Milli-Q | Advantage | Allow 24 hours 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 |