Beredningen av elektro Bridges från Polar Dielektriska Vätskor

Summary

Horisontella och vertikala elektro flytande broar är enkla och kraftfulla verktyg för att utforska samspelet mellan högintensiva elektriska fält och polära dielektriska vätskor. Konstruktionen av grundläggande apparater och operativa exempel, däribland termobilder, för tre vätskor (t.ex. vatten, DMSO och glycerol) presenteras.

Abstract

Horisontella och vertikala flytande broar är enkla och kraftfulla verktyg för att utforska samspelet mellan högintensiva elektriska fält (8-20 kV / cm) och polära dielektriska vätskor. Dessa broar är unika från kapillär broar genom att de uppvisar töjbarhet än några millimeter, har komplexa dubbelriktade massöverföringsmönster, och avge icke-Planck infraröd strålning. Ett antal vanliga lösningsmedel kan bilda sådana bryggor samt låg konduktivitet lösningar och kolloidala suspensioner. Den makroskopiska beteende styrs av electrohydrodynamics och tillhandahåller ett medel för att studera fluidflödesfenomen utan närvaro av stela väggar. Före igångsättningen av en vätskebrygga flera viktiga fenomen kan observeras inklusive avancera meniskhöjden (electrowetting), bulkvätskecirkulations (den Sumoto effekt), och utstötningen av laddade droppar (elektrospray). Samspelet mellan yta, polarisation och förskjutningskrafter kan undersökas direkt avvarierande pålagd spänning och brygglängd. Det elektriska fältet, biträdd av tyngdkraften, stabiliserar den flytande bron mot Rayleigh-Plateau instabiliteter. Konstruktion av grund apparater för både vertikal och horisontell riktning tillsammans med verksamhets exempel, däribland termobilder, för tre vätskor (t.ex. vatten, DMSO och glycerol) presenteras.

Introduction

Interaktionen mellan elektriska fält och flytande material resulterar i ett antal krafter som utvecklas inuti materialet bulk. I reala flytande dielektriska system, de icke försumbara fältgradienter och symmetribrott geometrier resulterar i ett antal till synes märkliga effekter. Hertz var en av de första att notera den roterande rörelsen i vätskefast dielektriska system ^1. Quinckes observerade att gränsytspänningen mellan två vätskor, inte bara har ändrats genom applicering av ett yttre elektriskt fält, men att denna ändring resulterade i utövande av krafter på vätskekroppen och skulle kunna användas för att inducera rotationsrörelse ^2. Armstrong upptäckte den flytande vatten bron i 1893 ³ som förblev en gåtfull party trick tills nyligen då Fuchs och medarbetare undersökte mass och laddningstransportmekanik ^4,5 och öppnas igen seriös vetenskaplig undersökning av mekanismer genom vilka dessa broar bildar. Elektriska fält ha ability för att lyfta vätskor mot tyngdkraften som Pellat arbete med dielektrisk vätska uppgång mellan parallella plattelektroder visar ^6. Denna lyftverkan visar en frekvensberoende och i slutändan kan beskrivas via Maxwell spänningstensorn ^7. Detta är viktigt när man överväger nivån stiger vätske samband med elektro (EHD) flytande bryggor som under AC förhållandena visar en frekvensberoende ⁸ liknar electrowetting på dielektriska (EWOD) och dielektroforetisk (DEP) massflöde ^9. Dessutom är tillämpningen av hög potential elektriska fält viktigt att kontrollera vätskestråle bryta upp och samverkan mellan det elektriska fältet med vätska är väsentliga för förståelsen av industriellt viktig process för elektro atomisering ^10,11.

Ett externt elektriskt fält påverkar inte bara ytenergin. På grund av verkan av polarisation och skjuvspänning, flödesmönster kanupprättas. Ett exempel är den cirkulation av vätskor i närvaro av inhomogena elektriska fält. Härmed electroconvective strömmar är etablerade i den flytande bulk drivs av skjuvspänningar. Sumoto visat att en fluidmotor kan byggas med användning av en glas rötor som antingen innehåller en polär vätska eller en metallstav nedsänkt i ett icke-polärt dielektriskt bad och placeras i ett inhomogent elektriskt fält ^12. Senare analys av Okano använde en homogen fält approximation ¹³ för att lösa rotationsproblem som bara kunde kvalitativt matcha de experimentella resultaten och krävde de dielektriska vätskor att reagera som en singulär massa. Andra forskare i ämnet missat poängen helt och hållet eftersom de felaktigt rapporterats och utforskade Sumoto effekt som en vätskenivån stiger ^14-16 som svar på den elektriska fältarbete uppfunnen av Pellat ^17. Vikten av ytan symmetribrott för förfarandet enligt lokaliserande laddning och genererade skjuvning stress ¹⁸ är viktigt att förstå för forskning om flytande EHD broar. Melcher s avhandling om kontinuum elektro ¹⁹ ger en komplett teoretisk grund för behandling av bulkvätskor och förenklar fria ytor inom isotropa homogena gränsen. Vikten av ytor är ändå tydligt även från kontinuum synpunkt eftersom förlusten av symmetri ger skjuvspänning som kan generera bulk rörelsen. Taget i det allmänna fallet med diskreta mobila vätskevolymer som kan polarise och omfattas av den resulterande reaktiva kraft när förhållningssätt till ytan, kan det elektriska samspelet fältet ersättas i både Navier-Stokes ²⁰ och Bernoullis ^7,21,22 relationer att beskriva de många EHD strömningsfenomen inklusive likvida broar. Ytterligare studier av flytande bryggor kan förbättra ett antal EHD baserade tekniker som bläckstråle utskrift ^23-25, mikro-och nanomaterialbearbetning ^26-28, drug delivery ²⁹, 30, biomedicinska tillämpningar ^31,32 och avsaltning ^33.

De metoder som beskrivs här ger tillgång till bildandet av EHD vätskebryggor som återfinns i polära vätskor vars molekyler har ett permanent dipolmoment. De infördes inhomogena elektriska fältet resulterar i en partiell polarisering av dipolen befolkningen som ger en lokal förändring av dielektriska permittiviteten vilket ytterligare förstärker fältgradienter ^18,34,35. Denna polarisering ger upphov till en förflyttningskraft som beroende på den relativa intensiteten hos det pålagda fältet kommer att generera ett antal olika vätske responser (se figurer 4-7) till slut resulterar i bildningen av en bro. Vätskan kommer också att utveckla en Taylor flöde ^22,36 längs elektrodytorna i synnerhet i de fall där det finns en skarp kant som finns på elektroderna. Möjligheten av laddningsinjektion vid skarpa kanter föreligger även och är förenlig med denbildandet av heterocharge skikt som genererar electroconvective strömmar i den flytande bulk ²² därmed förbinder den flytande brygga med Sumoto effekten ^12. De styrande EHD relationer för broar är i stor utsträckning på andra ställen för vatten och andra polära vätskor ^22,36-38. Dessa teoretiska ansatser drabbas vissa begränsningar som bör beaktas när man närmar experimentella data. The Maxwell spänningstensorn behandling ³⁶ är okänslig för fältheterogeniteter samt olikformigheter i vätskan bron. En ren EHD tillvägagångssätt ³⁷ ger stationära definitioner av electrogravitational nummer och dess förhållande till bron proportionerna; dock flödesdynamik och viktiga gående fenomen (t.ex. bro skapande) inte förutsägas. Tre dimensionslösa tal är användbara vid analys av bron stabilitet och härleds här som tidigare publicerats av Marín & Lohse ³⁷ E) är som definieras som förhållandet mellan elektriska och kapillärkrafter:

där ε ₀ är vakuum permittivitet, ε _r den relativa dielektriska permittiviteten hos vätskan är E _t det elektriska fältet över bron, är γ ytspänningen, d _s och d _l är de vertikala och horisontella projektioner av diametern så för erhållande av den medeldiameter _Dm. The Bond nummer (Bo) beskriver balansen mellan gravitation och kapillärkrafter:

där g är gravitationsaccelerationen, är l fri brygglängd, och V är bron volym. Förhållandet mellangravitations, kapillär och elektriska krafter kan uttryckas i termer av electrogravitational antal G _E:

Den maximala töjbarheten hos en brygga är relaterad till den pålagda spänningen, medan den ström som flyter genom bryggan är relaterad till den tvärsnittsarea och därmed diametern. Dessa relationer är kopplade, fastställa vilken bro volym, och därmed definiera den region av stabilitet för varje given driftsvätskebrygga. De karakteristiska kurvor för en vatten bro ges i figur 3, som visar en lägre tröskel under vilken det pålagda fältet är för svag för att övervinna ytspänningskrafter och en övre tröskel över vilken massan av bron är för stor vilket leder till läckage vilket ytterligare stör fältet och leder bron brista.

Den mer generella treatning av flytande broar i polära lösningsmedel ^19,22 ger de kombinerade tryck termer som verkar med bron att förutsäga de krafter som styr flödesdynamik i samband med en modifierad Bernoullis ekvation med elektriska förskjutnings villkor läggs till tryck sikt. Dessutom Onsager samband för jon stabilitet ²⁴ införlivas i samförstånd med experimentella observationer på jämvikts pumpa riktning och värmeutsläpp.

Ett antal polära vätskor har utforskats inklusive vatten, lägre alifatiska alkoholer (t.ex. metanol), poly-alkoholer (t.ex. glycerol), dimetylsulfoxid (DMSO), och andra polära organiska ämnen (t.ex. dimetylformamid). Icke-polära dielektriska vätskor (t.ex. hexan) uppvisar inte bryggbildning. De dielektriska vätskor kan stödja broar hittills studerat ^8,22,37 ligger inom en väldefinierad grupp av fysiska parametrar som etablerar en bra utgångspunkt för ytterligare experiment: låg konduktivitet (σ <5 iS / cm), måttlig statisk relativ dielektricitetskonstant (ε = 20-80), måttlig till hög ytspänning (γ = 21-72 mN / m). Intressant en rad olika viskositeter (η = 0,3-987 mPa.s) arbete i sådana broar. I vätskor med tillräckligt hög viskositet, såsom glycerol är det möjligt att dra en bro direkt från vätskedelen (se figur 5) och är en viktig länk mellan dielektroforeskrafter och vätskebryggor. Joniska lösningar (t.ex. NaCl _(aq)) är mycket störande att överbrygga bildning och i tidigare studier ⁴⁰ har visat sig öka temperaturen av bron, minska längden på pålagd spänning förhållande, och för att minska töjbarhet. Detta beteende beror i hög utsträckning till laddningsavskärmningseffekt av upplösta joner liksom ökad strömledning som reducerar kopplingen mellan de fluidvolymelement och det elektriska fältet.

<p class = "jove_content"> På EHD fenomen kontinuum nivå uppstår bara för att de nödvändiga tryck villkor som åtföljer electrostriction endast finns vid vätskegränssnittet ^21. Dessutom finns det ett samband mellan stabilitet EHD flytande broar och stabiliteten av gränssnitten i systemet. I fråga om minskade gravitationsexperiment ⁴¹ de expanderande resultat yta i en kraft som sliter bron isär. Likaså om ytan är för begränsat eller medhjälpande kontaktyta liten bron kommer sannolikt att utveckla instabiliteter. Detta kan illustreras i broar som matas genom slangar eller i fråga om vertikala broar där en elektrod dras uppåt från ytan - de resulterande broar är mindre stabila i långsiktig drift eftersom de saknar de karaktäristiska flödesdynamik som finns i den situation där båda reservoarerna har en stor fri ytarea. Broar vars förbindelser till vätskebehållaren är begränsade till slang utställning increased termisk ackumulation och fallande ytspänning. Det är typiskt att ett luftgränssnitt spontant kommer att bildas inuti slangen. Detta tillstånd gränser både maximal utbyggbarhet samt den genomsnittliga livslängden för bron för trånga flytande broar. Öppna ytvatten broar kan förlängas till 35 mm längd vid 35 kV medan ingen brygga kommer att kvarstå på en sådan accelerationsspänning i förlossning som vätske preferentiellt övergår i en elektrospray-läge. Likaså fri ytvatten broar har stabilitetslivstider som närmar sig 10 timmar under kontrollerade förhållanden, medan röret matas system livslängden är typiskt mindre än 2 timmar.

EHD fenomen typiskt beaktas endast på kontinuum nivå. Ett begränsat antal studier på den molekylära grunden för flytande broar har genomförts. En Raman studie ⁴² med vertikala AC broar sökte intermolekylära OH-stretching band jämfört med bulk vatten. Vissa förändringar i fmattering profiler efter applicering av det elektriska fältet har visat sig ha en strukturell ursprung. Använda ultra mid-infrarött pump sond spektroskopi på en flytande vatten bro ⁴³ vibrations livstid OH sträcka vibrationen av HDO-molekyler som ingår i en HDO: D ₂ O vatten bro befanns vara kortare (630 ± 50 fsec) än för HDO molekyler Bulk HDO: _D2O (740 ± 40 fsec), medan däremot de termalisedynamik följande vibrations avslappning är mycket långsammare (1500 ± 400 fsec) än i bulk HDO: _D2O (250 ± 90 fsec). Dessa skillnader i energi avkoppling dynamik indikerar starkt att vattnet bron och bulk vatten skiljer sig åt på en molekylär nivå. Dessutom visade forskning om infraröd strålning av en flytande vatten bro en icke-termisk funktion som skulle kunna bero på en övergång från ett exciterat tillstånd till grundtillståndet av en proton ledningsbandet ^44. En annan nyare Raman studie reported som i DC vatten överbryggar det finns en radiell fördelning i spektrat som är indikativ för den relativa skillnaden i den lokala pH mellan kärnan och det yttre skalet av bron ^45. Den radiella fördelningen av fysiska egenskaper inom EHD flytande bryggor stöds ytterligare av oelastisk UV spridningsexperiment ⁴⁶ vilket ger motstridiga radiella distributioner i profilerna temperatur och densitet, och kan förklaras antingen genom en gradient i molekylära frihetsgrader eller närvaron av en andra fas som nanobubblor. Det senare konceptet stöds inte av en liten vinkel röntgenspridning studie ^47, medan begreppet hindrad rotation (dvs. librations) stöds från infrarött emissionsspektra ^44. Förmånsflödesriktningen i EHD flytande bryggor uppstår förändringar i auto-dissociation kinetik. I samförstånd med arbetet i Onsager detta fynd håller löftet för anslutning av nivåfenomen molekylära Kontinuum- <sup> 22. Ytterligare bevis för en molekylär grund för EHD fenomen finns i observationen att termisk emission från en dielektrisk droppe minskar lokalt som svar på den ökande elektriska fältet och uppnå minst strax före uppkomsten av en bro (se Figur 7).

EHD flytande broar presentera en möjlighet att undersöka samspelet mellan krafter på olika längdskalor och det är det specifika syftet med detta arbete att ge en standardiserad metod för att producera dessa typer av broar i flera vätskor med en orientering i förhållande till tyngdkraften som stöder uppkomsten av den fullständiga uppsättningen karakteristiska fenomen diskuterats tidigare.

Protocol

1. Allmänna rekommendationer

1. Använd engångs, puderfria handskar under hela utformningen av experimentet för att förhindra förorening av svett eller olja från händerna.
2. Rengör alla glasvaror, elektroder och andra delar som kommer i kontakt vätskan under studien, med särskild uppmärksamhet för att förhindra införandet av föroreningar som kan lösas upp i den flytande fasen.
3. Med användning av en konduktivitetsmätare, mäta den elektriska konduktiviteten hos vätskan som kommer att användas i experimentet och bekräfta att det är ≤1 iS / cm.

2. Experimental Setup

1. Horisontell bryggsystem (Figur 1a)
   1. Placera ett par justerbara höjdplattformar på en nivå icke ledande yta. Fäst en plattform på plats och montera den andra plattformen på en motordriven linjär översättning skede som har ett minsta rörelse av 25 mm.
   2. Säkra isoleringsplattor (Figur 1a, del j) till the toppyta de justerbara plattformar. Använd isolerande plattor som är överdimensionerad så att de överhäng plattformarna med minst 10 mm på alla sidor. Använd vanliga material som teflon, akryl eller fönsterglas. Välj tjocklek för att förhindra nedbrytning vid den planerade maximala spänning.
   3. Anslut högspänningskällan (figur 1a, del m) enligt tillverkarens instruktioner.
   4. Solder krokodilklämmor till slutet av både den höga spänningen och jordledningar.
   5. Kläm en ände av en bärarm tillverkad av styvt isolerande material på ett ringstativ med den isolerande stav utskjutande horisontellt över de isolerande plattformar.
   6. Montera marken och högspänningskablarna till bärarmarna använder antingen flera varv av eltejp, nylon buntband, eller på annat lämpligt sätt så att krokodilklämmor sticker nedåt över de isolerade plattformar.
   7. Klipp en platinaelektrod (Figur 1a, del k) I vardera av de två krokodilklämmor.
   8. Placera bärarmarna så att högspänningstråden ligger över den fasta plattformen och jordledningen är ovanför den rörliga plattformen.
2. Vertikal bryggsystem (figur 1b)
   1. Fäst en icke ledande klämman till ett linjärt translationssteg, så att klämman kan resa ett minimum av 25 mm. Använd denna klämma för att hålla kärlet (figur 1b, del i) som kommer att vara ansluten till jordledningen.
   2. Montera denna församling till en vertikal styvt underlag.
   3. Fäst en liknande icke-ledande klämman i raden och under stöd på den linjära överföringssteget. Använd denna klämma för att hålla det fartyg som kommer att anslutas till högspänningskabeln.
3. Gör en "död-stick" (se Figur 1c för illustration)
   1. Skaffa en bit av icke-ledande styvt material såsom ett glas eller plaststav 30-40 cm långa (figur &# 160; 1c, delvis p).
   2. Fäst en bit av ledande metall 10-15 cm långa (figur 1c, del q) att en ände av stången med hjälp av ett flertal lindningar av eltejp (Figur 1c, del R) tillämpas på ett korsas sätt eller annat fästmaterial.
   3. Använd "dead-stick" att överbrygga de högspännings och jordelektroder med slut metallen efter att strömmen är avstängd för att säkerställa att kretsen är urladdat innan hanteringsutrustning.

3. Funktion av vätskebryggor

1. Horisontella Flytande Broar
   1. Fyll varje fartyg (Figur 1a, del i) med tillräckligt med vätska för att få ytan att inom 1-5 mm av bägaren pipen eller fälgen. För fartyg (diameter 60 mm) som används i denna demonstration, använd 67 g flytande på vatten, 74 g för DMSO, eller 84,4 g för glycerol.
   2. Placera de två fartyg på den isolerande plattformen så att de fysmatiskt i kontakt med varandra på en och samma plats såsom pipar men rak vägg fälgen kommer också att arbeta.
   3. Justera plattformshöjder, så att vätskan endast kommer i kontakt med platinaelektrod och inte krokodilklämman eller tråd. Var uppmärksam på vertikal inriktning så att den resulterande bron är vågrätt.
   4. Placera platinaelektroder i de vätskefyllda kärl så att de är minst 15 mm från kontaktläge där bron kommer att utgöra. OBS: Typiskt elektroderna är placerade mellan centrum av kärlet och väggen längst ifrån de två fartygen gör kontakt.
2. Vertikala Flytande Bridges
   1. Använd två rena, slutna kärl med en flytande port som visas i figur 1b, del i.
   2. Fyll varje kärl med vätska under studien, så att det inte finns några luftbubblor.
   3. Sätt i en elektrod (Figur 1b, del k) i varje kärl och stäng cap för att hålla vätskan på plats.
   4. Montera de två slutna kärl in i de icke-ledande klämmor (se 2.2) så att öppningarna pekar mot varandra.
   5. Tillsätt några droppar av vätska till öppningen av det nedre röret, så att en krökt vätskeytan skjuter ut några millimeter över glaskanten.
   6. Ta den övre kärlet ner så att det bara kommer i kontakt med undre bildar en liten kapillär bro.
   7. Anslut högspänningsutgången av nätaggregatet (Figur 1b, del m) till den undre kärlet (stationär) elektrodterminal och marken till övre (översätta) fartyg.
3. Högspännings Operations
   1. Allmänna överväganden
      1. Innan vi går vidare bekräfta att alla ytor är torra och att ingen vätska pooler, filmer, eller droppar är närvarande på de isolerande plattformar.
      2. Före anslutning av ström till experimentet bekräftar att det inte finns några kortslutningar och att det inte finns någon grund paths närvarande vilket kan resultera i personal eller utrustning som kommer i kontakt med strömförande ytor. Var noga med att följa alla rutiner och iaktta varningar utfärdats av högspänningsaggregatet tillverkaren. När du är osäker rådfråga kvalificerad elsäkerhetspersonal.
      3. Ställ polariteten för strömförsörjningen (om valbart) före applicering av ström. Normalt använder positiv spänning polaritet som detta ger stabilare broar. OBS: Negativ polaritet kan också användas, men tenderar att ge uttalade rymdladdnings verkningar som väsentligt kan påverka de fysikaliska egenskaperna hos både den dielektriska vätskan ⁴⁸ och påverkar den lokala laddningstätheten i försöksområdet på grund av den funktionella skillnaden i att sjunka i stället för sourcing elektroner under höga potentialer som överskott laddning kan sprutas på omgivande isolerande stödstrukturer.
      4. Öppna nuvarande gränsen på nätaggregatet så att inte mer än 5-6 mA ström.
      </ Li>
   2. Välj ett av de två spänningsprofiler som kan tillämpas - ramp eller steg.
      1. Använd en spänningsramp när första start och prestanda vätskans egenskaper ännu inte är kända.
         1. Sänk spänningsgränsen på nätaggregatet för att ge 0 kV.
         2. Aktivera utgången på strömförsörjningen och sakta börja öka spänningsgränsen med en hastighet av ca 250 V / sek.
         3. Beakta spänningen vid vilken bro antändning sker, detta är den ungefärliga tändtröskelspänningen (V _t).
      2. Använd en spänningssteg för att snabbt tillämpa spänning till systemet.
         1. Ställ nätspänningen gränsen till det önskade värdet över tröskeltänd vilken bestämdes genom användning av en spänningsramp för den flytande systemet under studie (se 3.3.2.1.3).
         2. Aktivera utgången på strömförsörjningen. OBS: En spänningssteg kan leda till gnistbildning och utstötningen av droppar och kan kräva flera seconds innan en stabil bro former. Ljusbåge kommer att producera ozon och peroxid resulterar i ökad vätskeledningsförmåga om den tillåts fortsätta i mer än några sekunder. Det rekommenderas att byta ut vätskan med färskt material om ljusbågar är ett problem.
   3. Stabilisera bron efter antändning.
      1. Bekräfta brygg antändning genom att observera en stadig ström av vätska mellan de båda fartygen. OBS: Detta kommer att ske normalt mellan 8-10 kV och kommer att åtföljas av strömledning mellan 250-500 iA beroende på den använda vätskan.
      2. Tune bron till förlängning genom att öka spänningen till 10-15 kV med strömförbrukning ~ 1.000 iA. OBS: det verkliga värdet beror på den vätska som används.
      3. Förläng bron till ett avstånd av ca 1 mm per 1 kV pålagd spänning, t.ex. 15 mm för 15 kV. Om så är nödvändigt, avstämma bryggan vidare beroende på kraven i experimentet. OBS: En stabil bro can finns i många timmar.
4. Avstängningsprocedurer
   1. Släck bryggan genom att avaktivera utgången på högspänningsaggregatet. Vänta i flera sekunder för strömförsörjning kondensatorer kan laddas ur och spänningen avläsning sjunka till noll.
   2. Använd "dead-stick" konstrueras i avsnitt 1.3 till korta elektrodhållare före hantering alla tidigare strömförande delar.

4 Imaging

1. Fringe Projection
   1. Förbered en binär frans platta genom att skriva ut svarta ränder på transparent film och anbringa detta till en opaliserande diffusor skärmen. I det här exemplet använder en A4 (dvs 297 mm x 210 mm) fringe platta.
   2. Placera fransplatta framför en bakgrundsbelysning så att fransar projiceras på hela försöksuppställningen.
   3. Spela antingen stillbilder eller filmer av fransmönstret med valfritt antal digitala kameror.
   4. Spåra ändringar i-n vätskeytan samt förändringar i den optiska väglängden av medhjälpande vätska genom att analysera bilderna som spelats in i 4.1.3. OBS: Kvantitativ analys av de observerade förändringarna sker via frans utvärdering med hjälp av olika mjukvarupaket som den fritt tillgängliga IDEA-programmet ^49. De specifika detaljer och överväganden om fransanalys täcks på annat håll ^49-51.
2. Termografiskt Imaging
   1. Ställ dynamiska område värmekamera enligt tillverkarens anvisningar. OBS: Typiskt en tvåpunktskalibrering som omfattar det förväntade temperaturområdet är tillräcklig för att åstadkomma god termisk upplösning. De flesta flytande bryggor fungerar i temperaturområdet 20-50 ° C.
   2. Utför en emissions korrigering och temperaturkalibrering genom avbildning den öppna ytan av en volym av vätskan som studeras vid temperaturer lämpliga för experimentet.
      1. Fyll ett kärl identisk medden som används i den experimentella uppställningen med vätskan under studien vid rumstemperatur.
      2. Mät temperaturen hos vätskan med hjälp av en nedsänkning ThermoProbe t.ex. en av typ K termoelement.
      3. Spela in en bild av vätskan i det infraröda.
      4. Höj temperaturen hos vätskan till förväntade temperaturer i bryggan med hjälp av en värmeplatta eller mikrovågsugn. OBS: Detta är typiskt inte mer än 10 ° C under kokpunkten för vätskan (t.ex., 90 ° C i vatten).
      5. Upprepa steg 4.2.2.2 och 4.2.2.3 för vätska, förhöjd temperatur.
   3. Placera kameran något över en horisontell bro och med en vertikal bro för att maximera den inspelade ytan. OBS: På grund av den starka absorptionen av medellång och lång våg infraröd strålning av de flesta polära vätskor, kommer bara yta fördelningen temperaturen vara synlig.
   4. Spela in IR av bron systemet börjar före möjliggöra utgångarna på power utbud och fortsätter tills experimentet ingås eller kamerabufferten är full.

Representative Results

Elektro flytande broar skiljer sig från kapillära vätskebryggor av tre fastigheter: 1) flöde, 2) töjbarhet, 3) termisk emission; en jämförelse visas i figur 2. Före applicering av spännings små kapillär broar är ofta observeras mellan de två fartygen när vätskenivån är även med pipar i horisontell konfiguration. De är oundvikliga i den vertikala konfigurationen när avståndet är mindre än några millimeter.

Spänning kan appliceras antingen i en ramp (se 3.4.2.1 i protokollet) eller steg (se 3.4.2.2 i protokollet). Spänningar under tröskelvärdet (V _t) kommer inte att producera en EHD bridge, men kan utlösa flera andra fenomen såsom utvidgning vätskevolym (Figur 4), uppåtgående rörelse av vätskan elektrodkontaktledningen (Figur 5), rotation och cirkulation av vätskan bulk (Figur 6), electrospraying och jet bildning (Figur 7). V _t är en egenskap hos den dielektriska vätskan under utredning, koncentrationen och typen av beståndsdelar närvarande, liksom skärm atmosfären som används. Tröskeln för antändning är också en funktion av fartygets separation. Medan bron tändningen är möjligt med separationer av många millimeter den pålagda spänningen måste vara högre och längre viloperiod kan observeras med mer våldsamma electrospraying innan en stabil vätska anslutning bildas. Till exempel, med vattenfyllda reservoarer åtskilda av 5 mm, V _t ökar till 17-20 kV eller högre.

När V _t har överskridits en kombination av ljusbågar och sprutning märken tändning (figurerna 8a, 9a) omedelbart följt av bildandet av en tunn bro <1 mm i diameter. När bron är etablerad ström kommer att flyta följt av svullnad av brygg (figurerna 8b, 9b) för att3-5 mm i diameter, beroende på förhållandena. I många av de vätskor som studerade hittills tiden från bron tändning till svullnad är mellan 10-500 ms och är till stor del en funktion av den pålagda spänningen, separationsavstånd, och flytande viskositet ^8,22,37.

I horisontella broar flödesriktning är beroende av de specifika vätske villkor. Typiskt nettoflödet löper från anoden mot katoden när högspänningen polaritet är positiv. Vid förlängning (figur 8c) diametern kommer att fluktuera normalt vid låga frekvenser mellan 1-10 Hz. Högre frekvens svängningar förekommer också och syns som ytvågor. Optiskt aktiva densitet vågor är synliga i bryggkroppen när tillbaka belyses med ett binärt fransmönster. Den specifika svarsfunktionen i systemet är beroende av både det vätskeformiga systemet såväl som kraftförsörjnings egenskaper.

Vertikala broar liknar i många avseenden hVERGRIPANDE ettor; Men dessa inte visar tecken på stark massflöde och vanligtvis har en överdriven amfora liknande form. Att öka drivspänningen resulterar i en mer cylindrisk vätskepelare och utbyggbarhet (figur 9c) är lite bättre än i horisontella broar (t.ex. 1,25 mm / kV för vatten). Liksom horisontella broar vertikala broar kan bilda utan direktkontakt mellan fluid organ före spänning. I detta fall en Taylor kon observeras att bilda den övre hängande droppen. Denna spray kommer att sträcka sig nedåt bildar en stabil stråle som snabbt sväller vid kontakt med den nedre fastsittande droppen.

Till skillnad electrosprays, EHD broar i polära dielektriska vätskor sprida energi i form av både termisk och icke-termisk infraröd (IR) strålning ^44. Termo inspelning av flytande bryggor (figur 7-10) är ett användbart verktyg för att undersöka ytan flödesdynamik samt för quantifying in operando IR aktiv distribution av energi. Termisk utsläppen beror till stor del på ohmsk uppvärmning och är således ett känsligt mått på jon stabilitet olika vätskor tenderar att värme annorlunda ges samma effektförlust. Exempelvis vatten broar (figur 9c) normalt går mellan 35-50 ° C, och alkohol broar kör några grader kallare på grund av både lägre ångtryck samt skillnader i jon stabilitet ^39. En annan illustration av denna länkade beteende hittas i aprotiskt DMSO, som har lågt ångtryck och bildar negativa joner som migrerar i motsatt riktning till de flesta andra polära vätskor. DMSO broar tenderar att arbeta vid temperaturer nära 100 ° C (figur 10a). Viskositet och värmekapacitet spelar också en viktig roll i hur värmeenergi avges i systemet som kan ses av lokal uppvärmning finns i glycerol broar (figur 10b).

(figurerna 8d, 9d) tills ett kritiskt värde har nåtts och Plateau-Rayleigh instabiliteter störa ligand-liknande brygga (figurerna 8e, 9e) till en sträng av droppar som kommer att migrera i elektriskt fält. Ett annat läge för bron störningar, oftast bara i den horisontella konfigurationen sker när bron diametern blir för stor vilket resulterar i hög massa och en nedåtriktad vattenstråle. Detta beteende kan leda till svängningar av bryggan producera en "svängande" effekt som kan orsaka bron till åter destabilisera i droppar. Brid stor diameterGES kan inträffa som ett resultat av överskjutande hydrostatiskt huvudtryck i ett kärl på grund av enkelriktat flöde vilket resulterar i ett spilltillstånd; alternativt öka spänningen till höga värden med endast liten separation kommer att producera en mycket bred bro eller "vatten highway". Dessa broar med stor diameter kan också misslyckas genom att kollapsa till en stor droppe som faller nedåt under gravitation.

Figur 1 Grundläggande utrustning för EHD flytande bro experiment. Schematisk bild av typisk horisontell (a) och vertikalt (b) experimentellt system för skapandet av EHD flytande broar. Vissa mekaniska detaljer som fästremmar och elektrodstöden har utelämnats för tydlighets skull. De väsentliga komponenterna är flytande fartyg (i), isolerande plattformar eller moUNTS (j), elektroder (K), och en högspänningskälla (m). Linjära stadier översättnings rekommenderas för en säker separation av de två fartygen gång en bro är etablerat. De döda pinne visas i panel (c) är sammansatt av en bit av icke-ledande styvt material (p), en ledande metallstav (q), och ett flertal lindningar av eltejp tillämpas på ett korsas sätt eller annat fästmaterial (r) . Slut metall används för att bilda en kort mellan de två elektroderna efter det att experimenten för att säkerställa att kretsen är urladdat innan hanteringsutrustning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 Jämförelse av kapillära och EHD vatten broar.En horisontell kapillär bro kan bara spänner över ett litet gap på 1,5 mm (a) medan horisontella EHD broar vid tre olika spänningar 4 kV (b), 6 kV (c), 8 kV (d) lätt passera gapet. Observera att EHD broar flödar över pipar medan en kapillär bro är upphängd mellan tapparna. Likaså den vertikala kapillär bron (e) har en smalare midja (~ 1,5 mm dia.) Och kan endast förlängas ~ 3.3 mm skillnad vertikala EHD broar som är töjbara. Tre EHD broar drivs vid 4 kV (f), 6 kV (g), och 8 kV (h) på samma separationsavstånd som kapillär bron visas. Högre spänning ökar bro midjan diameter, flödeshastighet och ökad värme som ett resultat av ökad effektförlust i bryggan. En ökning av bubbelbildning observeras också vid högre spänningar som gas löslighet minskar med ökande temperatur. Skalan bari alla ramar är 1 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. kurva en flytande vatten bro. Den nuvarande spänningsförhållande för flytande vatten broar vid 0, 5, 10, 15 mm separationsavstånd plottas. En lägre tröskel under vilken ingen flytande bro kommer att bilda (se infälld bild på nere till vänster), och en övre gräns över vilken broar är instabila (infällda bilder 1-4) bundet regionen stabilitet. För de flesta broar med några mätbara förlängning (dvs. ≥ 5 mm) den totala effektförlusten ligger mellan 10 och 20 watt. Brytningen av en bro bortom det övre tröskelvärdet kommer ofta att följa en sekvens av händelser som fortskrider från normal trafikjon (infälld 1), att läckande (infälld 2), slapp (infälld 3), och slutligen brista (infälld 4). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 Volym expansion. Hela vätskeytan av två fartyg kan ses stiga som svar på den pålagda elektriska fältet med hjälp av en projicerad binärt fransmönster. Två Teflon bägare fylld med vatten avbildas med en projicerad fransmönster vid två olika tillämpade en spänning) 0 kV och b) 15 kV. Förändringen i den projicerade fransar (panel c) analyseras med användning av IDEA ³³ programvara som använder en filtrerad Fouriertransformen konverterar förändringar i fransen modulationsfrekvensen till enrelativa höjd stiger. Den icke-enhetlighet i den detekterade skiftet beror på den låga spatiala frekvensen för den projicerade fransar och artefakter på grund av den diskreta cosinustransform baserad fas uppackning metod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5 dielektrofores och electrowetting. Den elektromekaniska svar glycerol till hög potential elektriska fält. Två platinaelektroder nedsänkta i vattenfri glycerol vid 0 kV (a) och 19 kV (b) visar hur vätskan är starkt driven uppåt. I en modifiering av Pellat experiment den lyfta volymen är helt bort från medhjälpande behållaren vilket ger en EHD glycerol bridge hålls mellan de två elektroderna (c). Likaså i fallet med stångformade elektroderna (d) kontaktlinjen avancerar upp elektroden med tillämpning av 15 kV (e) att höja elektroderna drar vätskekroppen uppåt för att bilda koniskt stympad (f) visar den förbättrade vätning alstras av den starka fält. Skala barer är 5 mm. Stills tagna från kompletterande videos S1 (ac) och S2 (df). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6 Sumoto effekt visualiseras i det infraröda. Infraröd bildsekvens av ett enda kärl av glycerol i ett inhomogent elektriskt fält tillhandahålls med hjälp av en enkel punkt plan elektrodsystemet som visas i synligt ljus i panel (a). Ström (19 kV DC) anbringas vid t = 0 sek. Lokal ytkylning inträffar under punkten elektrod (t = 15 sek) Denna lokal kylning sprids över ytan och utvecklar heterogeniteter, generering av en rotationskraft, medan omedelbara initialt små och kräver cirka 75 sekunder för att bli synliga på ytan. Tid mellan bilderna är 15 sek. Skala bar är 10 mm. Stillbilder från kompletterande video S3. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7 Förtändning kylning i vertikal bryggsystem med 10 mm separationsavstånd. Den övre Taylor kon och lägre oskaftade droppe av en vertikal vatten bro set-u p visas i närbild under ett spänningsramp. Bilderna är i den långvågiga infraröda och representerar emissionsytan. Från bilderna finns det en stadig avkylning och töjning (ad) av både flytande ytor som den pålagda spänningen ökas både nå en temperatur på minst 1-2 ° C under inledande (a) strax före utstötningen av en stråle (e) från den övre Taylor-konen. Den undre dropp ryggar innan det laddade jet men snabbt går efter kontakt (ef), stiger utsläppen snabbt som en stabil EHD flytande bro är etablerad (g). Temperatursänkning bekräftades med hjälp av en fiberoptisk termo sond. Den nedre oskaftade droppe är ~ 2 ° C varmare än den övre könen på grund av driften som tidigare; typiskt högspänningskärlet kommer att uppnå en något högre temperatur. Stillbilder från kompletterande videos S4 (övre kon) och S5 (nedre droppen).upload / 51819 / 51819fig7highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Termografiska bilder av en horisontell vatten bro från antändning till utrotning. Representant serie komposit mid-wave (3,7-5,0 nm) och långvågigt (8,0-9,4 mikrometer) infraröda bilder som kännetecknar de operativa stegen för horisontella flytande bryggor som visas för vatten: (a) antändning, (b) expansion, (c) förlängning, (d) stabilisering (e) upplösning. I denna bildsekvens bron släcktes genom att strömmen till systemet. Stillbilder från kompletterande video S6. Klicka här för att se enstörre version av denna siffra.

. Figur 9. Termografiska bilder av en vertikal vatten bro från antändning till utrotning Representant serie långvågig infraröd (7,5-9,0 mikrometer) bilder som kännetecknar de operativa stegen för vertikala flytande bryggor visas för vatten: (a) antändning, (b) utbyggnad , (c) minskad spänning, (d) ligand bildning, (e) upplösning i droppar under inverkan av Rayleigh-platå instabiliteter. Förfluten tid visas i ms. Bakgrunden kontrasten justerades i de sista ramar för att öka dropp visualisering. Stillbilder från kompletterande video S7. Klicka här för att se en större versionsionen av denna figur.

Figur 10. Termografiska bilder av horisontella broar i DMSO och glycerol. Dimetylsulfoxid (DMSO) (a) och glycerol (b) bro utsläpp i en komposit av mid-wave (3,7-5,0 mikrometer) och långvågig infraröd (8,0-9,4 im). Stillbilder från kompletterande videos S8 (DMSO) och S9 (glycerol). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Den framgångsrika bildandet av stabila och robusta EHD flytande broar kräver uppmärksamhet ägnas åt vissa enkla men viktiga detaljer. Det är väsentligt att den joniska konduktiviteten av lösningarna vara så låg som är praktiskt möjligt (t ex 1-5 | iS / cm). Var medveten om att vattenföroreningar kan leda till ökad ledningsförmåga för vissa polära vätskor (t.ex. glycerol). Tvätta alla glasvaror och uppmärksamma noggrann sköljning, använd endast glasvaror fria från föroreningar yta eller båge inducerad brännmärken. I allmänhet är det bra att använda handskar när du hanterar utrustning för att förhindra hud oljor och salter från att förorena experimentet. Elektroder bör sonikerades under flera minuter i lösningsmedlet under studie och det rekommenderas att dessa är "inbränd" genom att köra en ej utdragen bro för 30-45 min vid höga strömvärden (t.ex., 3-5 mA) för att reducera sekundär elektrod reaktioner. Hög renhet (t.ex.,> 99,9%) ädelmetaller fungerar bäst som elektrodmaterial och bör ha tillräcklig area för att upprätthålla låga strömtäthet i storleksordningen 10 A / m för att minska lokal uppvärmning.

För broar som har dålig stabilitet eller är svåra att starta rekommenderas att först bekräfta konduktiviteten är ~ 1 ^ S / cm, och att det inte finns några yttre pooler av vätska som kan tillåta en alternativ strömbanan. I allmänhet är det rekommenderat att alla ytor vara så torr som möjligt, särskilt uppmärksamma tunna filmer som kan bilda mellan fartyg och isoleringsplattor. Om ljusbågar uppstår avbrotts energiförbrukningen och minskar spänningsvärdet sedan slå på strömmen igen så ihållande ljusbågar kommer att leda till "pyrolys" i drabbade områden som kan minska brygg stabilitet eller förhindra bryggtänd alla tillsammans. Om strömmen till systemet över tröskelspänningen och ingen överbryggar bildar en isolerad glasstav kan användas för att dra vätskan uppåt mot the kontaktpunkter (t.ex. bägare Pipar) mellan de två fartygen. Om systemet fortsätter att bete sig på ett instabilt sätt rengör utrustningen och börja om med ny vätska. Om detta är det rekommenderat att ta inventering av omgivningen som stora metallföremål, material som stödjer statisk laddning, eller starka luftströmmar kan störa bron och / eller det elektriska fältet, som stöder den.

Det experimentella systemet lätt modifierat för att passa material som vanligtvis finns i de flesta laboratorier. Vätskebehållare kan vara från nästan alla kompatibla material och särskild uppmärksamhet bör ägnas åt brandfarlighet av behållaren eller flytande fas vid elektrisk ljusbåge; exempelvis Teflon kommer att generera farliga gaser vid förbränning. Elektrod form, placering och material kan också ändras för att passa de begränsningar av en given uppsättning. Vanligtvis plana elektroder tillverkade av folie används utan tråd kan också användas så länge som de nuvarande riktlinjerna densitet beaktas. Den pålagda elektriska fältet kan vara ren DC, ren AC eller DC partisk AC. Alla kommer att producera flytande bryggor inom frekvensberoende mätområde för vätskor som beskrivs i litteraturen på electrowetting på dielektrikum (EWOD) och dielektrofores (DEP) ⁹ som definierar en svarsfrekvensområdet 20 Hz och upp till 20 kHz för måttliga spänningar. Högre frekvensområden kan också generera broar även om de inte uttryckligen har testats och vissa arbetstagare har rapporterat den nedre gränsen för AC vertikala broar för att vara 50 Hz ^42. Orientering till gravitationen är också lätt modifieras så länge som ett system kan utformas för att ge fria vätskeytor som är stabila utan ett pålagt elektriskt fält. Experiment har utförts i avsaknad av gravitation ⁴¹ som visade att dessa broar har ett beroende av den stabiliserande inverkan av tyngdkraften, som bibehåller den känsliga balansen av krafter i en flytande brygga.

ent "> EHD flytande broar är ett nytt verktyg som kan läggas till den repertoar av många naturvetenskapliga program. De tillåter utforskning av interaktionen av bulk och ytkrafter med externt applicerade elektriska fält. De öppnar möjlighet att undersöka nya sätt att blanda olika vätskor ^37, förändrade kemiska reaktionskinetik ^52, protontransport ^44,45, och undersöka svaret av biologiska system på sådana villkor ⁵³ Utöver dessa broar tillåta direkt tillgång till vätskeytan utan fysiskt infalls strukturer som redan har gett nytt. spektroskopiska information om dynamiken i flytande vatten ²⁸ och antyder inte bara på att det finns en elektriskt styrd stat switch som innebär nya bulkegenskaper dyker ³¹ men potentialen att undersöka vätske-vätske fasövergångar ⁵⁴ via en helt ny metod. Den utbredda industriell tillämpning av EHD processer (t.ex. 26 och elektrospraymasspektrometri ^32,33 metoder) helt säkert kan dra nytta av ytterligare studier av dessa nära allierade fenomen.

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