Ponti liquidi electrohydrodynamic orizzontali e verticali sono strumenti semplici e potenti per esplorare l'interazione di alta intensità di campi elettrici e liquidi dielettrici polari. La costruzione di apparecchi di base ed esempi operativi, comprese le immagini termografiche, per tre liquidi (ad esempio, acqua, DMSO e glicerolo) è presentato.
Ponti orizzontali e verticali liquidi sono strumenti semplici e potenti per esplorare l'interazione di campi elettrici ad alta intensità (8-20 kV / cm) e liquidi dielettrici polari. Questi ponti sono unici da ponti capillari in quanto presentano estensibilità al di là di pochi millimetri, hanno complessi modelli di trasferimento di massa bi-direzionale, ed emettono non-Planck radiazione infrarossa. Un certo numero di comuni solventi può formare tali ponti, nonché soluzioni a bassa conducibilità e sospensioni colloidali. Il comportamento macroscopico è governato da electrohydrodynamics e fornisce un mezzo per studiare fenomeni fluidodinamici senza la presenza di pareti rigide. Prima della comparsa di un ponte vari fenomeni importanti liquido può essere osservato tra cui avanza l'altezza del menisco (elettrowetting), circolazione di fluido di massa (l'effetto Sumoto), e l'espulsione di goccioline cariche (elettrospray). L'interazione tra superficie, polarizzazione, e le forze di spostamento può essere esaminato direttamentevariando la tensione applicata e la lunghezza del ponte. Il campo elettrico, assistito dalla forza di gravità, stabilizza il ponte liquido contro le instabilità di Rayleigh-Plateau. Costruzione di apparecchi di base sia per l'orientamento verticale e orizzontale con esempi operativi, comprese le immagini termografiche, per tre liquidi (ad esempio, acqua, DMSO e glicerolo) è presentato.
L'interazione tra i campi elettrici e risultati materia liquidi in un certo numero di forze in evoluzione all'interno della massa del materiale. Nei sistemi reali dielettrici liquidi, i gradienti di campo non trascurabili e rottura di simmetria geometrie determinano una serie di effetti apparentemente peculiari. Hertz è stato uno dei primi a notare il movimento di rotazione in sistemi dielettrico liquido-solido 1. Quincke osservato che la tensione interfacciale tra due fluidi non solo è stato modificato mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno, ma che il cambiamento ha comportato lo sforzo delle forze sul corpo fluido e potrebbe essere usato per indurre il movimento di rotazione 2. Armstrong ha scoperto l'acqua ponte galleggiante nel 1893 3, che rimase un trucco partito enigmatico fino a poco tempo quando Fuchs e collaboratori esplorato massa e carica la meccanica di trasporto di 4,5 e riaperto seria indagine scientifica sui meccanismi con cui si formano questi ponti. I campi elettrici hanno l'ability per sollevare liquidi contro la forza di gravità, come il lavoro di Pellat in aumento del liquido dielettrico fra gli elettrodi a piastre parallele mostra 6. Questa azione lifting mostra una dipendenza dalla frequenza e, infine, può essere descritto tramite il tensore degli sforzi di Maxwell 7. Questo è importante se si considera l'aumento del livello del liquido associato a electrohydrodynamic (EHD) ponti liquidi che in condizioni AC non mostrano una dipendenza dalla frequenza 8 simile a elettrowetting sul dielettrico (EWOD) e dielettroforetica (DEP) flusso di massa 9. Inoltre, l'applicazione di elevati potenziali campi elettrici è importante nel controllo getto liquido rompere e l'interazione del campo elettrico con liquidi è essenziale per la comprensione del industrialmente importante processo di atomizzazione elettrospray 10,11.
Un campo elettrico esterno non influenza solamente l'energia superficiale. Grazie all'azione di polarizzazione e sollecitazione di taglio, flusso pattern puòessere stabilita. Un esempio è la circolazione di liquidi in presenza di campi elettrici non omogenei. Con la presente le correnti electroconvective sono stabiliti nel rinfuse liquide guidato da sforzi di taglio. Sumoto dimostrato che un motore fluido potrebbe essere costruito utilizzando un rotore di vetro contenente un liquido polare o una barra metallica immersa in un bagno dielettrico non polare e posto all'interno di un campo elettrico disomogeneo 12. Successiva analisi da Okano utilizzato un campo di approssimazione omogeneo 13 per risolvere il problema di rotazione che potrebbe corrispondere solo qualitativamente i risultati sperimentali e ha richiesto i liquidi dielettrici a rispondere come una massa singolare. Altri ricercatori in materia perso il punto di tutto quanto erroneamente riportato e hanno esplorato l'effetto Sumoto come un livello di liquido lievitare 14-16 in risposta al lavoro di campo elettrico lanciato da Pellat 17. L'importanza di simmetria della superficie di rottura per il processo di carica localizzazione e generato taglio stress 18 è essenziale per cogliere per la ricerca sui ponti EHD liquidi. Trattato di Melcher su elettromeccanica continui 19 fornisce una base teorica completa per il trattamento di rinfuse liquide e semplifica le superfici libere entro il limite omogeneo isotropo. L'importanza delle superfici è comunque chiaro anche dal punto di vista continuo come la perdita dei risultati di simmetria in shear stress che possono generare il movimento di massa. Preso nel caso generale di discreti volumi fluidi cellulari che possono essere polarizzata e sono soggetti alla forza di reazione risultante su di approccio alla superficie, l'interazione del campo elettrico può essere sostituito in entrambe le equazioni di Navier-Stokes 20 e Bernoulli 7,21,22 relazioni per descrivere la moltitudine di EHD fenomeni di flusso compresi ponti liquidi. Ulteriori studi di ponti liquidi può migliorare una serie di tecnologie EHD based come a getto d'inchiostro di stampa 23-25, nano-materiali-micro e lavorazione 26-28, consegna di droga 29, 30, 31,32, applicazioni biomediche e desalinizzazione 33.
I metodi qui descritti forniscono accesso alla formazione di ponti EHD liquidi che si trovano in liquidi polari cui molecole possiedono un momento di dipolo permanente. I risultati non omogenei campo elettrico imposto in una polarizzazione parziale della popolazione dipolo che producono una modifica locale di costante dielettrica in tal modo rafforzare ulteriormente gradienti di campo 18,34,35. Questa polarizzazione dà luogo ad una forza di spostamento che a seconda della intensità relativa del campo applicato produrrà un numero di differenti risposte liquidi (vedi figure 4-7) eventualmente conseguente formazione di un ponte. Il liquido svilupperà anche un flusso di Taylor 22,36 lungo le superfici degli elettrodi soprattutto nei casi in cui vi è un bordo tagliente presente sugli elettrodi. La possibilità di iniezione di carica a spigoli vivi esiste anche ed è coerente con ilformazione di strati heterocharge che generano correnti electroconvective in rinfuse liquide 22 che collegano così il sistema ponte liquido con l'effetto Sumoto 12. Le relazioni EHD disciplinano per ponti sono ampiamente coperti altrove per acqua e altri liquidi polari 22,36-38. Questi approcci teorici soffrono di alcune limitazioni che devono essere considerati quando si avvicina dati sperimentali. Il Maxwell lo stress trattamento tensore 36 è insensibile alla eterogeneità dei campi così come disuniformità nel ponte liquido. Un approccio puro EHD 37 fornisce le definizioni di stato stazionario del numero electrogravitational e la sua relazione con il rapporto di aspetto ponte; tuttavia, le dinamiche di flusso e importanti fenomeni transitori (ad esempio, la creazione di ponte) non sono previsti. Tre numeri adimensionali sono utili quando si analizza la stabilità del ponte e sono derivati qui come in precedenza pubblicato da Marín & Lohse 37 </sup>. Il numero electrocapillary (Ca E) è definito come il rapporto tra le forze elettriche e capillari:
dove ε 0 è la permittività del vuoto, ε r la permittività dielettrica relativa del liquido, E t è il campo elettrico attraverso il ponte, γ è la tensione superficiale, d s e d l sono le proiezioni verticali ed orizzontali del diametro in modo da a cedere il diametro medio D m. Il numero Bond (Bo) descrive l'equilibrio tra gravità e forze capillari:
dove g è l'accelerazione di gravità, l è la lunghezza del ponte libero, e V è il volume ponte. Il rapporto tragravitazionale, capillare, e le forze elettriche possono essere espressi in termini di numero electrogravitational G E:
L'estensibilità massima di un ponte è legata alla tensione applicata mentre la corrente che fluisce attraverso il ponte è relativo alla sezione trasversale e quindi il diametro. Queste relazioni sono accoppiati, determinare il volume ponte, e quindi definire la regione di stabilità per ogni ponte liquido di servizio. Le curve caratteristiche di un ponte acqua sono riportati nella Figura 3 che mostra una soglia inferiore di sotto della quale il campo applicato è troppo debole per superare le forze di tensione superficiale e una soglia superiore di sopra della quale la massa del ponte è troppo grande conseguente fuoriuscita cui ulteriori sconvolge campo e si traduce in rottura ponte.
Il trattamento più generalezione di ponti liquidi in solventi polari 19,22 fornisce i termini di pressione combinata che operano con il ponte di predire le forze che governano la dinamica dei flussi, nel contesto di una equazione di Bernoulli modificata con termini di spostamento elettrici aggiunti al termine pressione. Inoltre il rapporto Onsager per la stabilità dello ione 24 è incorporato in accordo con le osservazioni sperimentali sull'equilibrio pompaggio direzione e emissione termica.
Un certo numero di liquidi polari sono stati esplorati compresa l'acqua, gli alcoli alifatici inferiori (ad esempio, metanolo), poli-alcoli (ad esempio, glicerolo), dimetilsolfossido (DMSO), e altre sostanze organiche polari (ad esempio, dimetilformammide). Liquidi dielettrici non polari (ad esempio, esano) non presentano la formazione di ponte. I liquidi dielettrici in grado di supportare ponti finora studiati 8,22,37 si trovano all'interno di un gruppo ben definito di parametri fisici che stabiliscono un buon punto di partenza for ulteriori sperimentazioni: bassa conducibilità (σ <5 mS / cm), moderata permettività relativa static (ε = 20-80), da moderata a elevata tensione superficiale (γ = 21-72 mN / m). È interessante notare che una vasta gamma di viscosità (η = 0,3-987 mPa · sec) opera in tali ponti. Nei liquidi con viscosità sufficientemente elevata come il glicerolo è possibile tirare un ponte direttamente dal rinfuse liquide (vedi Figura 5) ed è un importante collegamento tra le forze dielettroforetica e ponti liquidi. Le soluzioni ioniche (ad esempio, NaCl (aq)) sono altamente distruttivi per colmare la formazione e negli studi precedenti 40 hanno dimostrato di aumentare la temperatura del ponte, diminuire la lunghezza di rapporto di tensione applicata, e per ridurre l'estensibilità. Questo comportamento è in gran parte attribuibile all'effetto carica schermatura di ioni disciolti e l'aumento della conduzione di corrente che riduce l'accoppiamento tra gli elementi di volume di fluido e il campo elettrico.
<p class = "jove_content"> Sui fenomeni EHD livello continuo nascono semplicemente perché le condizioni di pressione necessarie che accompagnano electrostriction si trovano solo a livello di interfaccia liquido 21. Inoltre, vi è una relazione tra la stabilità del EHD ponti liquidi e la stabilità delle interfacce nel sistema. In caso di riduzione esperimenti a gravità 41 in espansione risultati Superficie in una forza che strappa il ponte a parte. Allo stesso modo se la superficie è troppo limitata o l'area di contatto sottende piccolo ponte probabilmente svilupperà instabilità. Ciò può essere illustrato nei ponti che sono alimentati da tubi o in caso di ponti verticali in cui un elettrodo viene tirato verso l'alto dalla superficie – i ponti risultanti sono meno stabili nel funzionamento a lungo termine, poiché non hanno la caratteristica dinamica del flusso trovati nella situazione in cui entrambi i serbatoi hanno una grande superficie libera. Bridges cui connessioni con il serbatoio del liquido sono confinati all'interno di tubi in mostra iaccumulo termico ncreased e cadere tensione superficiale. E 'normale che una interfaccia aria si formano spontaneamente all'interno del tubo. Questa condizione limite sia la massima estensibilità e la durata media del ponte per ponti liquidi confinati. Aprire ponti acque superficiali possono essere estesi a 35 mm di lunghezza a 35 kV, mentre non c'è ponte persisterà a un tale tensione di accelerazione in cella come il liquido transizioni preferenzialmente in una modalità elettrospray. Allo stesso modo i ponti acque superficiali gratuito hanno durata di stabilità che si avvicinano 10 ore in condizioni controllate, mentre in sistemi di tubi alimentati il corso della vita è in genere meno di 2 ore.Fenomeni EHD sono in genere prese in considerazione solo a livello di continuità. Sono stati condotti Un numero limitato di studi sulle basi molecolari dei ponti liquidi. Uno studio Raman 42 con ponti in ca verticali indagato la band OH-stretching inter-molecolare rispetto alla massa d'acqua. Alcune modifiche scattering profili dopo l'applicazione del campo elettrico sono dimostrato di avere un origine strutturale. Utilizzando la spettroscopia sonda pompa medio infrarosso ultraveloce su un ponte galleggiante acqua 43 la durata vibrazionale della vibrazione tratto OH di molecole HDO contenuta in un HDO: D 2 O ponte acqua è risultata essere inferiore (630 ± 50 fsec) che per molecole HDO alla rinfusa HDO: D 2 O (740 ± 40 fsec), mentre al contrario, la dinamica termalizzazione seguenti il rilassamento vibrazionale sono molto più lenti (1.500 ± 400 fsec) rispetto alla rinfusa HDO: D 2 O (250 ± 90 fsec). Queste differenze nella dinamica di rilassamento di energia indicano fortemente che il ponte di acqua e massa d'acqua differiscono su scala molecolare. Inoltre, la ricerca sulla emissione infrarossa di un ponte galleggiante acqua ha rivelato una caratteristica non-termica che potrebbe essere dovuto a una transizione da uno stato eccitato allo stato fondamentale di una banda di conduzione protonica 44. Un altro studio più recente reporte Ramand che in acqua DC colma vi è una distribuzione radiale negli spettri che è indicativo della differenza relativa del pH locale tra il nucleo e il guscio esterno del ponte 45. La distribuzione radiale delle caratteristiche fisiche all'interno EHD ponti liquidi è ulteriormente supportata da esperimenti di scattering anelastico UV 46 che dà distribuzioni radiali contraddittorie nei profili di temperatura e di densità e può essere spiegato da una pendenza in gradi di libertà molecolari o la presenza di una fase secondaria come bolle nano. Il concetto successiva non è supportato da un piccolo angolo di raggi X studio dispersione 47 mentre il concetto di rotazione ostacolato (cioè librazione) è supportato da spettri di emissione infrarossa 44. La direzione del flusso preferenziale in EHD ponti liquidi deriva da variazioni della cinetica di auto-dissociazione. In accordo con il lavoro di Onsager questo risultato promettente per il collegamento di fenomeni a livello molecolare e del continuo <sup> 22. Ulteriore evidenza di una base molecolare per fenomeni EHD è situato nella osservazione che l'emissione termica da una gocciolina dielettrico riduce localmente in risposta al campo elettrico crescente e raggiunge un minimo appena prima dell'insorgenza di un ponte (vedi Figura 7).
Ponti EHD liquidi presentano una opportunità di esaminare l'interazione tra le forze a più scale di lunghezza ed è l'obiettivo specifico di questo lavoro di fornire un metodo standardizzato per la produzione di questi tipi di ponti in un certo numero di liquidi con qualsiasi orientamento rispetto alla forza di gravità che supporta la emergere il set completo di fenomeni caratteristici discusso in precedenza.
La formazione di successo di ponti EHD liquidi stabili e robusti richiede un'attenzione particolare ad alcune semplici ma importanti dettagli. È essenziale che la conducibilità ionica delle soluzioni sia a partire da pratica (per esempio, 1-5 mS / cm). Essere consapevoli del fatto che la contaminazione di acqua può provocare un aumento della conducibilità per alcuni liquidi polari (ad esempio, glicerolo). Lavare tutta la vetreria bene prestare attenzione a un'attenta risciacquo, utilizzare solo lavori di vetro esente da contaminazioni di superficie o ad arco indotto segni di bruciature. In generale è buona norma indossare guanti ogni volta che gestire qualsiasi apparecchiatura per evitare oli per la pelle e sali di contaminare l'esperimento. Gli elettrodi devono essere sonicati per diversi minuti nel solvente in fase di studio e si raccomanda che questi sono "persistente" eseguendo un ponte non estesa per 30-45 min a correnti elevate (ad esempio, 3-5 mA) per ridurre elettrodo secondario reazioni. Elevata purezza (ad esempio,> 99,9%) metalli nobili funziona meglio come materiali elettrodici e devono avere una superficie in modo da mantenere basse densità di corrente dell'ordine di 10 A / mq in modo da ridurre il riscaldamento locale.
Nel caso di ponti che hanno scarsa stabilità o di difficile cominciare si consiglia di confermare prima conducibilità è ~ 1 mS / cm e che non ci sono estranei pozze di liquido che possono consentire un percorso della corrente alternata. In generale, si raccomanda che tutte le superfici siano il più asciutto possibile, prestare particolare attenzione a film sottili che possono formare tra le navi e piastre isolanti. Se si verifica la formazione di archi potere di interruzione e di ridurre il valore di tensione quindi riapplicare il potere come arco sostenuto comporterà la "carbonizzazione" delle zone colpite che possono ridurre la stabilità ponte o prevenire ponte accensione tutti insieme. Se l'alimentazione è applicata al sistema di sopra della tensione di soglia e non si forma un ponte bacchetta di vetro isolante può essere utilizzato per aspirare il liquido verso l'alto verso thE i punti di contatto (ad esempio beccucci becher) tra le due navi. Se il sistema continua a comportarsi in modo instabile pulire l'apparecchiatura e iniziare di nuovo con liquido fresco. In caso contrario, si consiglia di fare l'inventario dei dintorni come grandi oggetti metallici, materiali che supportano la carica statica, o forti correnti d'aria può interrompere il ponte e / o il campo elettrico che la sostiene.
Il sistema sperimentale è facilmente modificato per adattarsi materiali comunemente disponibili nella maggior parte dei laboratori. Contenitori di liquidi possono essere da quasi qualsiasi materiale compatibile e particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla infiammabilità del contenitore o fase liquida in caso di arco elettrico; per esempio Teflon generare gas pericolosi quando bruciò. Forma elettrodi, il posizionamento e il materiale possono anche essere modificate per soddisfare i vincoli di un determinato set-up. Tipicamente elettrodi planari realizzati in lamina sono usati ma filo possono anche essere utilizzati, purché le attuali linee guida di densità sono presi in considerazione. Il campo elettrico applicato può essere pura DC, AC puro, o di parte AC DC. Tutti produrrà ponti liquidi all'interno della gamma di risposta in frequenza dipendente per i liquidi descritti nella letteratura sulla elettrowetting su dielettrica (EWOD) e dielettroforesi (DEP) 9 che definiscono una gamma di frequenza di risposta da 20 Hz fino a 20 kHz per tensioni moderate. Gamme di frequenza più elevate possono anche generare i ponti anche se questi non sono stati esplicitamente testati e alcuni lavoratori hanno segnalato il limite inferiore di ponti verticali AC a 50 Hz 42. Orientamento di gravità è anche facilmente modificata finché un sistema può essere progettato per fornire superfici liquide liberi che sono stabile senza un campo elettrico applicato. Gli esperimenti sono stati condotti in assenza di gravità 41, che ha dimostrato che questi ponti hanno una dipendenza dalla influenza stabilizzante di gravità che mantiene il delicato equilibrio delle forze in un ponte liquido.
ent "> ponti EHD liquidi sono un nuovo strumento che può essere aggiunto al repertorio di molte applicazioni di scienze naturali. Essi consentono l'esplorazione dell'interazione di forze di massa e di superficie con campi elettrici applicati esternamente. Aprono la possibilità di esaminare nuovi mezzi di mescolando diversi liquidi 37; cambiare cinetica delle reazioni chimiche 52; trasporto di protoni 44,45, ed esaminando la risposta dei sistemi biologici a tali condizioni 53 Oltre questi ponti permettono l'accesso diretto alla superficie del liquido, senza strutture che sottendono fisicamente, che ha già prodotto nuovo. informazioni spettroscopiche sulle dinamiche in acqua liquida 28 e suggerisce non solo l'esistenza di un interruttore comandato elettricamente stato in cui emergono nuove proprietà di bulk 31 ma al potenziale di esaminare transizioni di fase liquido-liquido 54 attraverso un metodo completamente nuovo. L'applicazione industriale diffusa dei processi EHD (ad esempio </em>, elettrospinning 26, e elettrospray 32,33 metodi) certamente possono beneficiare di un ulteriore studio di questi fenomeni strettamente affini.The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato svolto nel quadro TTIW-cooperazione di Wetsus, centro di eccellenza per la tecnologia sostenibile dell'acqua (www.wetsus.nl). Wetsus è finanziato dal Ministero degli Affari economici, il Fondo europeo di sviluppo regionale dell'Unione, la Provincia di Frisia, la città di Leeuwarden e il programma EZ / Kompas della 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "olandese. Gli autori ringraziano i partecipanti al tema di ricerca "Fisica Applicata Water" per le fruttuose discussioni e il loro sostegno finanziario.
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 |