水平方向と垂直方向の電気流体の液体ブリッジは、高強度の電界と極性液体誘電体との相互作用を探索するためのシンプルで強力なツールです。 3つの液体( 例えば 、水、DMSO、およびグリセロール)のためのサーモグラフィー画像を含む基本的な装置および動作例の構成は、提示されている。
水平方向と垂直方向の液体のブリッジは、高強度電場(8-20 kVの/ cm)の極性誘電液体の相互作用を探索するためのシンプルで強力なツールです。これらのブリッジは、それらが、数ミリメートルを超えて拡張性を示す複雑な双方向の物質移動パターンを有し、そして非プランク赤外線を放射するように毛細管ブリッジからユニークである。一般的な溶媒の数は、ブリッジと低伝導度の溶液とコロイド懸濁液を形成することができる。巨視的な挙動は、電気水によって支配し、剛性壁の存在なしに流体の流動現象を研究する手段を提供している。前の液体ブリッジの発症にいくつかの重要な現象が前進するメニスカスの高さ(エレクトロウェッティング)、バルク流体循環(洲本効果)、および荷電した液滴(エレクトロスプレー)の吐出含む観察することができる。表面、偏光、および変位力の間の相互作用を直接調べることができる印加電圧とブリッジ長さを変化させる。重力により補助電界は、レイリー·プラトー不安定性に対する液体架橋を安定化する。 3つの液体( 例えば 、水、DMSO、およびグリセロール)のためのサーモグラフィー画像を含む動作例、と一緒に垂直および水平方向の両方のための基本的な装置の構成は、提示されている。
電場と材料のバルク内の進化の力の数の液状物の結果との間の相互作用。実際の液体誘電体システムでは、無視できない磁場勾配及び対称性破壊の幾何学的形状は、一見特有の多くの効果をもたらす。ヘルツは、液体-固体誘電体のシステム1における回転運動を注意することが最初の一人だった。クインケは、2つの流体間の界面張力は、外部電場の印加によって変化し、この変化は、流体身体上の力の発揮をもたらし、回転運動2を誘導するために使用することができることれただけでなく、観察した。アームストロングはフックスと共同研究者は、質量と電荷輸送力学4,5を調査し、これらのブリッジが形成されるメカニズムへの重大な科学的な調査を再び開いたときに最近まで謎のパーティのトリックを推移し1893年3浮遊水ブリッジを発見しました。電界はアビリットを持っている平行平板電極間の誘電体の液体上昇中のペラフィネの仕事として、重力に抗して液体を持ち上げるyは6を示している。この持ち上げ動作は、周波数依存性を示し、最終的にはマクスウェルの応力テンソル7を介して記述することができる。誘電体(EWOD)にエレクトロウエッに似周波数依存性8および誘電泳動(DEP)マスフロー9を示さない交流条件下における電気流体力学(EHD)液体架橋に関連した液面上昇を考慮した場合、これは重要です。さらに、高電位電場の印加は、液体ジェットが別れる制御する上で重要であり、液体と電界との相互作用は、エレクトロスプレー噴霧10,11の工業的に重要なプロセスを理解するために不可欠です。
外部電界は、表面エネルギーに影響を与えない。分極の作用せん断応力、フローパターンにすることができます確立される。一例では、不均一な電場の存在下での液体の循環である。これによってelectroconvective電流は、せん断応力によって駆動液体バルクに確立されている。洲本は、流体モータが極性液体または非極性誘電浴に浸漬し、不均一な電場12内に配置された金属棒のいずれかを含むガラスローターを使用して構築することができることを実証した。岡野によるその後の分析は、定性的に実験結果と一致することができ、回転の問題を解決するために、均質な場近似13を使用し、単一の塊のように応答するように、誘電体の液体を必要とした。テーマに関する他の研究者は、彼らが誤って報告されているように、完全にポイントを逃し、ペラフィネ17によって開拓電場作業に応じて14〜16上昇液面として洲本効果を検討した。表面電荷を局在化するプロセスのための対称性の破れと生じるせん断STREの重要性ssの18は、液体のEHD橋梁の研究のために把握することが不可欠である。連続電気機械技術19メルチャーの論文は、バルク液体を処理するための完全な理論的基礎を提供し、等方性の均質な限度内で自由表面を簡素化します。表面の重要性はさらにバルク運動を作り出すことが可能とせん断応力の対称結果の損失などの連続性の観点から、それにもかかわらず、明らかである。偏光された表面へのアプローチの際に生じた反力を受けることができる個別のモバイル流体ボリュームの一般的なケースで考えると、電場の相互作用は、7,21,22関係ナビエ·ストークス20とベルヌーイの両方に置換することができる液体架橋を含むEHD流動現象の多数を記述します。液体架橋のさらなる研究は、23〜25のインクジェット印刷のようなEHDベースの技術、マイクロ·ナノ材料加工26-28、薬物送達29の数を向上させることができ、30、生物医学的応用31,32、および淡水化33。
ここに記載される方法は、その分子が永久双極子モーメントを持つ極性液体中に見出されるEHD液体架橋の形成へのアクセスを提供する。このように誘電率の局所的な変化をもたらすダイポール人口の部分偏光における課さ不均一な電場の結果はさらに、磁場勾配18,34,35を補強する 。この分極は、印加される電界の相対強度に依存し、最終的にブリッジの形成をもたらす異なる液体応答の数を( 図4-7参照) を生成する変位力を生じさせる。液体はまた、特に、電極上に存在する鋭いエッジがある場合にあっては、電極表面に沿って、テイラー·フロー22,36を開発します。鋭いエッジにおける電荷注入の可能性も存在し、と一致しているしたがって、洲本効果12液体ブリッジシステムをリンクする液体バルク22 electroconvective電流を発生heterocharge層の形成。橋梁の支配EHD関係は広範囲に水や他の極性液体22,36-38のために別の場所でカバーされています。これらの理論的アプローチは、実験データに近づいたときに考慮しなければならない一定の制限を受ける。マクスウェル応力テンソル処理36は、フィールド不均一並びに液体ブリッジの不均一性の影響を受けない。純粋なEHDアプローチ37は、ブリッジアスペクト比にelectrogravitational数との関係の定常状態の定義を提供します。しかし、流動力学の重要な過渡現象( 例えば 、ブリッジの作成 )が予測されていません。三つの無次元数は、ブリッジの安定性を分析する際に有用であり、以前はマリン&ローゼ37によって発行され、ここで導出される</s>アップ。電気毛管数(カルシウムE)は、電気毛管力との間の比として定義されている。
ε0は真空の誘電率であり、εは液体の相対誘電率rをE tはブリッジを横切る電界であり、γは表面張力であるように、dは、sおよびd lは直径の垂直および水平の投影である平均直径D mを得た。ボンド番号(ボー)は、重力と毛管力とのバランスについて説明します。
gは重力加速度であり、lは自由橋の長さであり、Vは、ブリッジ体積である。との関係重力、毛細管、および電気的な力はelectrogravitational番号G、Eで表すことができます。
ブリッジを介して流れる電流は断面積、したがって直径に関連している一方、ブリッジの最大伸展性は、印加電圧に関連している。これらの関係は、ブリッジ体積を決定し、したがって、任意の所与の作動液ブリッジの安定性の領域を定義する、結合されている。水のブリッジの特性曲線は、印加電界が表面張力及びブリッジの質量が漏れを生じる大きすぎるそれを超える上限閾値を克服するためには弱すぎるそれ以下低い閾値を示している図3に示されているさらに混乱させるフィールドおよびブリッジ破裂を生じる。
より一般的な御馳走極性溶媒中での液体のブリッジメント19,22は、圧力項に追加された電気変位の用語で修飾されたベルヌーイの式のコンテキストで流動力学を支配する力を予測するためのブリッジで動作する組み合わせ圧力条件を提供しています。また、イオン安定性24オンサーガー関係が平衡ポンピング方向および熱放射の実験的観察と一致して組み込まれている。
極性液体の数は、水、低級脂肪族アルコール( 例えば 、メタノール)、ポリアルコール( 例えば 、グリセロール)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、及びその他の極性有機物( 例えば 、ジメチルホルムアミド)などの探究されてきた。無極性誘電体の液体( 例えば 、ヘキサン)ブリッジの形成を示さない。ブリッジをサポートすることのできる誘電性液体は、これまで良い出発点のfoを確立物理的パラメータの明確に定義されたグループ内の8,22,37うそを研究rはさらなる実験:低伝導率(σ<5μS/ cm)で、中程度の静的な比誘電率(ε= 20〜80)、高表面張力(γ= 21から72 MN / m)の中程度。興味深いことに広範囲の粘度(η= 0.3から987 MPA·秒)かかる橋での作業。グリセロールのような十分に高い粘度の液体では、液体バルクから直接橋を引くことが可能である( 図5参照)と、誘電泳動力と液体のブリッジ間の重要なリンクです。イオン溶液( 例えば 、NaCl(水溶液))を架橋形成に非常に破壊的であり、以前の研究では40、ブリッジの温度を上昇させる印加電圧比に長さを減少させ、かつ拡張性を減少させるためにすることが示されている。この動作は、主として流体体積要素と電界との間の結合を減少させる、電荷遮蔽溶解したイオンの効果、ならびに増加した電流の伝導に起因する。
<電歪に伴う必要な圧力条件のみ液体界面21で発見されているため、連続体レベルのEHD現象にPクラス= "jove_contentは">単に生じる。さらに、EHD液体架橋の安定性とシステムのインターフェイスの安定性との間の関係が存在する。減少重力実験41離れて橋を涙力の拡大表面積の結果の場合には。表面があまりにも限られたり、小さなサブテンディング接触面積されている場合同様に、ブリッジは可能性が高い不安定性を開発します。これは、チューブによって、あるいは、一方の電極が表面から上方に引っ張られ、垂直ブリッジの場合には、供給される架橋に示すことができる – 彼らがどこ状況で見られる特徴的な流動力学を欠く得られたブリッジは、長期運転にあまり安定である両方のリザーバは大きな自由表面積を有する。その接続は、流体リザーバに配管ショーiの内に閉じ込められる橋熱の蓄積と立ち下がりの表面張力をncreased。これは、エア·インタフェースが自然にチューブ内に形成することが典型的である。この条件の上限の両方の最大拡張性だけでなく、閉じ込められた液体ブリッジのブリッジの平均寿命。何ブリッジが液体として閉じ込め、そのような加速電圧で持続しないであろう、一方、オープン地表水ブリッジは、優先的にエレクトロスプレーモードに移行し35 200kVで35mmの長さに拡張することができる。チューブ内に供給され、一方、同様に、自由表面の水ブリッジは、制御された条件下で10時間に近づいて安定性寿命を持つシステムの寿命は一般的に2時間未満である。EHD現象は、一般的にのみ連続体レベルで考えられている。液体架橋の分子基盤についての研究の数は限られて行われている。垂直交流ブリッジを用いたラマン研究42はバルク水に比べて分子間OH-伸縮バンドを調査した。皮下にいくつかの変更電界印加後のatteringプロファイルは構造的起源を有することが示されている。フローティングウォーターブリッジ43 HDOに含まれているHDO分子のOH伸縮振動の振動寿命に超高速、中赤外ポンププローブ分光の使用:D 2 O水ブリッジはHDO分子のためのより短い(630±50フェムト秒)であることが判明したD 2 O(740±40フェムト秒)、対照的に、振動緩和に続く熱化ダイナミクスがバルクHDOよりも(1,500±400フェムト秒)はるかに低速であるのに対し:バルクHDO中のD 2 O(250±90フェムト秒)。エネルギー緩和ダイナミクスにおけるこれらの差異は、強く水ブリッジとバルク水は分子スケールで異なることを示している。また、浮遊水ブリッジの赤外線放射に関する研究は、プロトン伝導帯44の励起状態から基底状態への遷移に起因し得る非熱的特徴を明らかにした。他のより最近のラマン研究reporteDC水にブリッジ45のコアと外側シェルとの間の局所的なpHの相対的な差の指標であるスペクトルの半径方向の分布がある橋渡しdは。 EHD液体ブリッジ内の物理的特性の径方向分布は、さらに、温度と密度プロファイルで相反する半径方向分布を与え、自由または二相の存在の分子度のいずれかで勾配によって説明することができる非弾性UV散乱実験46によって支持されているナノバブルなど。束縛回転の概念( すなわち librations)は、赤外発光スペクトル44から支持されて、後で概念は小角X線散乱研究47でサポートされていません。 EHD液体橋梁における優先フローの方向は、自動解離速度の変化から生じる。オンサーガーの仕事との合意では、この知見は、分子と連続体レベルでの現象を接続するための約束を保持している<SUP> 22。 EHD現象の分子的基礎についてのさらなる証拠は、誘電体の液滴からの熱放射が増加する電界に応じて局所的に減少し、ブリッジの開始の直前に最小になるという観察に見出される( 図7参照)。
EHD液体ブリッジは、複数の長さスケールでの力の間の相互作用を検討する機会を提示し、それがサポートしている重力への向きで液体の数にブリッジのこれらの種類を製造するための標準化された方法を提供することを本研究の具体的な目標である前述した特徴的な現象のフルセットの登場。
安定かつ堅牢なEHD液体ブリッジの成功の形成は、特定の、シンプルでありながら重要な詳細に支払われるように注意が必要です。これは、( 例えば 、1〜5μS/ cm)の溶液のイオン伝導度が実用限り低くすることが不可欠である。水質汚染が一定の極性液体( 例えば 、グリセロール)のための導電率の増加につながることがあるので注意してください。表面汚染やアーク誘起焼けのないガラス器具のみ使用し、すべてが順調にガラス製品を注意深くすすぎに注目して洗浄する。一般的には、実験を汚染する皮脂と塩を防止するためのあらゆる機器を取り扱う際は、必ず手袋を着用することをお勧めします。電極は、研究中の溶媒中で、数分間超音波処理されるべきであり、これらは、高電流値で30〜45分間、拡張されていないブリッジを実行して、「バーンイン」( 例えば 3〜5 MA)の二次電極を減らすためであることをお勧めします反応。高純度( 例えば 、> 99.9%)貴金属が電極材料として最も効果的と局所的な加熱を低減するように10 A / m 2のオーダーの低い電流密度を維持するために十分な表面積を有するべきである。
乏しい安定性を持っているか、それを起動することが困難な橋梁の場合、別の電流経路を可能にすることができる液体の無関係なプールが存在しないことを第一導です〜1μS/ cmのを確認することを推奨される。一般的に、すべての表面は、できるだけ乾燥して船と絶縁板の間に形成することができる薄膜に特別な注意を払うことをお勧めします。アーク放電が割り込み電力を発生し、電圧値を低下させる場合には、持続的なアーク放電がブリッジ安定性を低下させる、またはすべて一緒にブリッジ発火を防ぐことができ、被災地の「炭化」になりますように、電源を再適用します。電力が閾値電圧以上のシステムなしブリッジ形態に適用される場合、絶縁ガラス棒は番目に向かって上向きに液体を吸引するために使用することができ2隻間で電子接点( 例えばビーカー噴出)。システムが不安定な方法で動作するように続けた場合は、機器をきれいにし、新鮮な液体で再起動してください。この失敗は、大規模な金属製の物体、ブリッジおよび/またはそれをサポートする電界を乱すことができ、静電荷、または強い空気の流れをサポートする材料として、周囲のインベントリを取得することをお勧めします。
実験システムは、簡単にほとんどの研究室で一般に入手可能な材料に適合するように修正される。液体容器は、ほぼすべての適合素材であることができ、特別な注意は、電気アークの場合の容器や液相の燃焼性に支払われるべきである。燃焼時に例えばテフロンは、有害ガスを発生します。電極の形状、配置、及び材料はまた、所与のセットアップの制約に合うように変更することができる。フォイルから作られた典型的に平面電極が使用されるが、ワイヤはまた、電流密度の指針である限り使用することができ考慮される。印加電界は、純粋なDCすることができ、純粋なACまたはDCをACに付勢。すべてが20 Hzの間で、適度な電圧では20 kHzまでの応答周波数範囲を定義体(EWOD)に、エレクトロウェッティングに関する文献に記載された液体および誘電泳動(DEP)9のための周波数依存応答範囲内の液体のブリッジが生成されます。これらは明示的にテストされておらず、いくつかの労働者が50ヘルツ42であることが、AC垂直ブリッジの下限を報告しているが、より高い周波数範囲も橋を生成することができる。重力の向きにも簡単に限り、システムは、印加電界ことなく安定である自由液面を提供するために考案することができるように修正される。実験は、これらのブリッジは、液体ブリッジ内の力の微妙なバランスを維持し、重力の安定化作用への依存を持っていることを示した重心41がない状態で行われている。
ENT "> EHD液体ブリッジは、多くの自然科学用途のレパートリーに加えることができる新しいツールです。彼らは、外部から印加される電界とバルクと表面の力の相互作用の探索を可能にする。彼らは、新たな手段を検討する機会を開く異なる液体37を混合、化学反応速度論52を変更するステップと、プロトン輸送44,45、およびそのような状態から53生物学的システムの応答を調べる加えて、これらの橋はすでに新しいもたらしたあらゆる物理的に従属構造のない液体表面への直接アクセスを可能にする。分光液体の水における動態に関する情報28、新たなバルク特性が完全に新しいメソッドを介して、液-液相転移54を調べるために31をemergeが、電位にすることにより電気的に制御された状態のスイッチの存在ではないだけヒント。広範な産業応用EHDプロセス( 例えば </e> mで、これらの密接に同盟現象のさらなる研究の恩恵を受けることができる最も確か)26をエレクトロスピニングし、32,33の方法をエレクトロ。The authors have nothing to disclose.
この作品はWetsus、持続可能な水技術(www.wetsus.nl)のための卓越した研究拠点のTTIW-協力の枠組みで実施した。 Wetsusはオランダ経済省、欧州連合地域開発基金、Fryslân州、レーワルデン市と「Samenwerkingsverband北オランダ」のEZ /コンパスプログラムによって資金を供給されている。著者らは、実りある議論とその財政支援のための研究テーマ「応用物理学の水」の参加者に感謝したい。
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 |