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Engineering

Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

Published: September 7, 2018 doi: 10.3791/57820
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 1
1Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 2Division of Mechanical Science and Technology, Faculty of Science and Technology, GUNMA University

Summary

Die Berichtigung von Ion Transportwege ist eine effektive Methode um ein-seitige Ion gezogen Electrohydrodynamic Ströme zu erzeugen. Durch die Festlegung einer Ionen-Austausch-Membran in einen Strömungskanal, ein elektrisch polarisierter Zustand wird erzeugt und führt zu einem Flüssigkeitsstrom Gefahren werden, wenn ein elektrisches Feld extern angewendet wird.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) fahren fließt in wässrigen Lösungen, die Trennung von Kationen und Anionen Transportwege ist wichtig weil eine gerichtete elektrische Körperkraft hat durch Ionische Bewegungen in Flüssigkeit induziert werden. Auf der anderen Seite, positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig, und Elektroneutralität bleibt überall in Gleichgewichtsbedingungen. Darüber hinaus muss eine Erhöhung einer angelegten Spannung unterdrückt werden, um Wasser-Elektrolyse zu vermeiden, wodurch die Lösungen instabil werden. In der Regel können EHD fließt in nichtwässrigen Lösungen induziert werden durch die Anwendung von extrem hoher Spannungen, wie Dutzende von kV, elektrische Ladungen zu injizieren. In dieser Studie werden zwei Methoden eingeführt, um generieren EHD Ströme induziert durch elektrische Ladung Trennungen in wässrigen Lösungen, wo zwei flüssige Phasen durch eine Ionen-Austausch-Membran getrennt sind. Durch einen Unterschied in der Ionischen Mobilität in der Membran wird Ionen-Konzentration Polarisierung zwischen beiden Seiten der Membran induziert. In der vorliegenden Studie zeigen wir zwei Methoden. (i) die Lockerung der Ionen-Konzentration Steigungen erfolgt über einen Strömungskanal, die eine Ionen-Austausch-Membran durchdringt, wo die langsamere Arten in der Membran selektiv dominierend im Strömungskanal wird. Dies ist eine treibende Kraft, eine EHD-Strömung in der Flüssigkeit zu generieren. (Ii) eine lange Wartezeit für die Diffusion von Ionen durch die Ionen-Austausch-Membran ermöglicht die Erzeugung ein Ion-gezogen-Flow durch extern Anlegen eines elektrischen Feldes. Ionen in einem Strömungskanal eine 1 x 1 mm2 Querschnitt konzentriert bestimmen Sie die Richtung der Flüssigkeitsströmung, entsprechend der elektrophoretischen Transportwege. Bei beiden Methoden wird die elektrische Spannungsdifferenz erforderlich für eine EHD-Flow-Generierung drastisch reduziert, um 2 V in der Nähe von Beseitigung der Ionen-Transportwege.

Introduction

Vor kurzem haben Flüssigkeitsstrom Steuerungstechniken angezogen viel Aufmerksamkeit wegen Interesse an Anwendungen von Mikro- und nanofluidischen Geräte1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. in polaren Lösungen wie wässrigen Lösungen und Ionische Flüssigkeiten, Ionen und elektrisch geladenen Teilchen in der Regel über elektrische Ladungen in Flüssigkeitsströmen bringen. Der Transport solcher polarisierte Teilchen stellt eine Erweiterung der verschiedenen Anwendungen, wie Einzelmolekül-Manipulation6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, Ionen-Diode Geräte12,18und Flüssigkeitsstrom Steuern19,20,21,22. EHD fließen seit ein anwendbar Phänomen für Regelungs-und Steuerungssysteme Flüssigkeitsstrom Stuetzer1,2 die Ionen ziehen Pumpe erfunden. Melcher und Taylor3 veröffentlicht einen wichtigen Artikel, in denen der theoretische Rahmen der EHD Fluss wurde enthusiastisch begrüßt und einige herausragende Experimente wurden auch demonstriert. Saville4 und seine Kollegen23,24 trugen zu den folgenden Ausbau EHD Technologien in Flüssigkeiten. Allerdings gab es einige Einschränkungen für Induktion fließt Flüssigkeit angetrieben durch elektrische Kräfte, denn Zehntausende kV in Flüssigkeiten, elektrische Ladungen in unpolaren Lösungen, wie z.B. Öle, sie polarisieren,1,2 injizieren angewendet werden , 3. Dies ist ein Nachteil für wässrige Lösungen, weil der Wasser-Elektrolyse, die durch eine elektrische Spannung höher als 1,23 V induziert ist die Eigenschaften der Lösungen verändert und die Lösungen instabil macht.

In Mikro- und nanofluidischen Kanäle verursachen Oberfläche Vorwurf der Kanalwände die Konzentration von gegenionen, die effektiv Elektroosmotischer fließt (EOFs induzieren) nach außen angewandte elektrische Felder25,26,27 ,28,29. Mit EOFs, wurden einige flüssige Pumpen Techniken in wässrigen Lösungen, Verringerung der elektrischen Spannungen30,31,32angewendet. Auf der anderen Seite beschränken sich EOFs auf der Mikro- und Nanospaces in denen Fläche dominanter als flüssige Volumen werden generiert wird. Darüber hinaus führt je nach Transport von hochkonzentrierten Ionen sehr nahe an den Wandflächen, wie z. B. in elektrischen Doppelschichten, die Slip-Grenze nur die Flüssigkeit, die möglicherweise nicht ausreichend, um Druck Steigungen7, 8 , 22 , 26 , 27. Feinabstimmung, wie Kanal Abmessungen und Salzkonzentrationen, ist erforderlich für die Anwendungen der EOF. Im Gegensatz dazu fließt EHD Körper scheinen Kräfte zur Verfügung stehen, um Massen und Energien zu transportieren, wenn die Anwendung Spannungen reduziert werden können, um zu vermeiden, erniedrigende Lösungsmittel zurückzuführen. Vor kurzem haben einige Forscher vorgeschlagen, Anwendungen von EHD mit niedrigen Spannungen33,34,35,36. Obwohl diese Technologien noch nicht umgesetzt haben, sollen die Grenzen zu erweitern.

In den vorhergehenden Studien führten wir auch experimentelle und theoretische Arbeiten auf EHD fließt in wässrigen Lösungen37,38,39,40. Es wurde angenommen, dass die Berichtigung von Ion Transportwege wirksam war zu elektrisch geladene Lösungen zu generieren, die elektrischen Körperkräfte unter elektrische Felder führen. Durch die Verwendung einer Ionen-Austausch-Membran und einen Strömungskanal durchqueren die Membran, konnten wir Ionische Strömungen zu korrigieren. Bei der Bewerbung einer Anion-Austausch-Membran kationen konzentriert in den Fluss Kanal gezogen die Lösungsmittel und entwickelt eine EHD fließen37,38,39. Ein Unterschied bei der Mobilität von ionenspezies war ein wichtiger Faktor, wenn die kationischen und anionischen Strömungen zu trennen. Ionenaustauscher Membranen effektiv arbeitet die Mobilität aufgrund der Ionen-Selektivität zu modulieren. Ion TRANSPORTPHÄNOMENE wurden auch aus der Sicht der Ionischen Stromdichte beeinflusst durch angewandte elektrische Felder41untersucht. Diese Studien wurden fruchtbar für entwickeln Manipulationstechniken für einzelne Moleküle, nämlich Mikro- und Nanopartikel, deren Bewegungen durch thermische Fluktuationen11,16,17 stark betroffen sind . EOFs und EHD Ströme werden voraussichtlich erweitern die Vielfalt der präzise Flow Control-Methoden sowie Druck Steigungen.

In dieser Studie zeigen wir Ihnen zwei Methoden, um Laufwerk EHD fließt in wässrigen Lösungen. Erstens dient zum Antrieb einer EHD fließen37,38,39eine NaOH-Lösung für ein Arbeitsmedium. Eine Anion-Austausch-Membran trennt die Flüssigkeit in zwei Teile. Ein Strömungskanal Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einem Querschnitt von 1 x 1 mm und einer Länge von 3 mm durchdringt die Membran. Durch die Anwendung einer elektrischen Spannung von 2,2 V, wird die elektrophoretische Transport von Na+, H+und OH− Ionen entlang der elektrische Felder induziert. Ein Anion-Austausch-Membran und einen Strömungskanal arbeiten effektiv, um die Transportwege von Ionen zu trennen, wo Anionen dominant die Membran passieren und kationen konzentrieren sich im Strömungskanal, obwohl beide Arten in der Regel in entgegengesetzte Richtungen bewegen, Aufrechterhaltung der Elektroneutralität. So bewirkt solch ein Zustand keine treibende Kraft für flüssige Bewegungen. Diese Struktur ist entscheidend für die Erzeugung von eine EHD-Fluss, dessen Fließgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 mm erreicht/s in den Kanal, weil hochkonzentriert kationen durch externe elektrische Felder beschleunigt ziehen Sie Lösungsmittel Moleküle. EHD Bewegungen beobachtet und aufgezeichnet mit einem Mikroskop und einer Highspeed-Kamera, wie in Abbildung 1dargestellt. Zweitens ein Konzentration Unterschied zwischen zwei flüssigen Phasen getrennt durch eine Ionen-Austausch-Membran bewirkt eine elektrisch polarisierten Zustand zu generierenden überqueren eine Ionen-Austausch-Membran-40. In dieser Studie finden wir die Bedeutung von einer erheblichen Wartezeit zu equilibrate Ionen-Verteilungen und eine entsprechende elektrische Potential, wodurch vorzuziehene Bedingungen Körper Kraft in einer Flüssigkeit. Überqueren die Ionen-Austausch-Membran, wird ein schwach polarisierter Zustand erreicht. In einem solchen Zustand ein äußerlich angewandte elektrisches Feld induziert gerichtete Ionentransport, die eine Körperkraft in einer Flüssigkeit erzeugt und dadurch die Impulsübertragung von den Ionen, die Lösungsmittel entwickelt einen EHD-Fluss.

Wie oben erwähnt, die heutigen Geräte erfolgreich den angelegten Spannungsunterschied zu einigen Volt drastisch zu verringern, und kann deshalb diese Methode kann für wässrige Lösungen verwendet werden, obwohl die konventionelle elektrische Ladung Injektionsmethoden Zehntausende kV erforderlich und beschränken sich auf einen Antrag auf nicht-wässrigen Lösungen.

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Protocol

(1) EHD Fluss induziert durch gleichgerichtete Ionentransport

  1. Entwicklung einer Flow-Kanal-Gerät, Ion Transportwege zu korrigieren
    1. Machen Sie eine PTFE-Form des Behälters:
      1. 13 x 30 x 10 mm3 Schimmel aus einem Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einer Fräsmaschine geschnitten (siehe Abbildung 2). Alternativ kaufen Sie eine Sonderanfertigung.
      2. Acrylplatten von 15 x 18 x 1 mm3 an beiden Enden der PTFE-Form mit einem Kunststoff Kleber, der Schlitze in das Reservoir auszugleichender Bias Elektroden machen zu halten. Diese Teile können aus einer großen Platte geschnitten oder gekauft.
      3. Acrylplatten 13 x 30 x 1 mm3 an den oberen und unteren Oberflächen der PTFE-Form mit einem Kunststoff Klebstoff planaren Flächen für klare Beobachtung zu halten.
    2. Mischen Sie ein Silikon Elastomer Basis und heilende Mittel im Verhältnis 10:1 in ein 50 mL-Tube und schütteln Sie das Rohr von hand zu.
    3. Siedeln sich die flüssige PDMS in einem Vakuumbehälter und Entgasen sie mithilfe einer Kreiselpumpe.
    4. Entfernen Sie den Schlauch aus dem Behälter. Gießen Sie die PDMS in einem 40 x 50 x 24 mm3 Kunststoff-Behälter zu Formen die äußere Form des Stausees und legen Sie die Reservoir-Form (siehe Schritt 1.1.1) drin.
    5. Backen Sie den ganzen Körper der Flüssigkeit PDMS auf einer Herdplatte bei 80 ° C für ca. 4 h.
    6. Nach dem Backen Isolieren der PDMS-Reservoir aus PTFE-Schimmel und das außengefäß per hand. Machen Sie einen Schlitz quer durch die Mitte des Behälters mit einem chirurgischen Messer. Hiermit werden die Kanten ein Anion-Austausch-Membran (in Schritt 1.1.16 vorbereitet) mit einer Pinzette hineingesteckt werden.
      Hinweis: Das PDMS-Reservoir ist mit Elektrolytlösungen später gefüllt wie in Abbildung 2dargestellt.
    7. Erhalten Sie Glasplatten (hergestellt von Sonderbestellung) mit einer Kreisform von 18 mm Durchmesser oder in ein Quadrat mit 18 mm Kanten.
    8. Waschen Sie die Glasplatten durch Einweichen in Aceton, Ethanol und reines Wasser (in dieser Reihenfolge) in einem Ultraschall-Bad für 15 Minuten.
    9. Schlag alle Restflüssigkeiten entfernt mit einem Luftgewehr oder Erhitzen die Glasplatten mit einer Heizplatte für 5 min bei ca. 473 K.
    10. Mit Hochfrequenz-Sputtern, Mantel die Glasoberfläche mit Cr oder Ti Ar Plasma für 1 min bei 75 W ausgesetzt und sukzessive, hinterlegen eine Au Dünnschicht für 5 min bei 75 W, setzen die Dicke bei ca. 100 nm.
      Hinweis: Vor der Beschichtung der Glasoberfläche mit den Ziel-Metallen, wurden die Proben in einer Vakuumkammer gesetzt, die evakuiert wurde eine Kreiselpumpe mit einem molekularen Diffusionspumpe bis der Druck verringert, 1 x 10−2 PA.
    11. Löten Sie einen Vorsprung auf der Elektrodenoberfläche Au mit einem Lötkolben.
      Hinweis: Die Form der Au-Elektrode kann möglicherweise durch Plätze und spiralförmige Drähte, Aufrechterhaltung Flächen groß genug, um Ionen Ströme erzeugen ersetzt werden.
    12. Setzen Sie mit einer Pinzette die Glasplatten mit einer Au Dünnschicht an beiden Enden des Stausees beschichtet. Dies sind die Bias Elektroden.
    13. Schneiden Sie eine Anion-Austausch-Membran in eine rechteckige Form von 20 x 18 mm2 mit einer Schere. Eine Fläche von 13 mm in der Breite und 10 mm in der Höhe ist eine Flüssigkeit ausgesetzt. Hier kann ein Teppichmesser oder chirurgische Messer auch verwendet werden, um die Membran zu schneiden.
    14. Ein rechteckiges Stück 3 x 5.5 mm2 von einem Rand der Membran mit einer Schere ausgeschnitten.
      Hinweis: Die Dicke der Anionen-Austausch-Membran ist 220 µm. Die Membran ist leicht mit einer Schere oder einem Teppichmesser schneiden. Die Kanten der Membran sind teilweise mit den Schlitzen in der Kammer befestigt.
    15. Einen PDMS-Block mit einem Edelstahl Stab von 1 x 1 mm2 Querschnitt in der gleichen Weise wie in den Schritten 1.1.4 - 1.1.5, einen Strömungskanal zu erstellen, der die Membran dringt zu festigen. Verlassen Sie den Bau über Nacht und ziehen Sie dann den Edelstahl Stab aus dem PDMS-Block.
    16. Schneiden Sie die PDMS-Block mit einem quadratischen Strömungskanal in ein 3 x 6 x 4,5 mm Stück (siehe Abbildung 2) mit dem chirurgischen Messer. Stellen Sie Schlitze an den äußeren Rändern, dann hängen Sie es an die Membran in den rechteckigen Ausschnitt.
      Hinweis: Die obere Fläche des Kanals muss horizontal für eine klare Betrachtung der Partikel in der Flow-Kanal über die transparente Wand eingestellt werden.
  2. Zubereitung von Lösungen und Vorbehandlungen für Experimente
    1. Bereiten Sie NaOH wässrige Lösungen bei Konzentrationen von 1 x 10−1, 1 x 10−2und 1 x 10−3 Mol/L durch Verdünnung der Stammlösung vor.
    2. Machen Sie im Durchschnitt eine Dispersion von Polystyrol Partikel von 2,93 µm im Durchmesser in jedem der in Schritt 1.2.1 vorbereitet, indem die Konzentration auf 4,2 x 10−3 Vol% NaOH-Lösungen.
      Hinweis: Die Größe der Partikel, Tracer kann zur Verbesserung der Wahrnehmbarkeit entsprechend geändert werden.
    3. Ultrasonicate die formatierte Anion-Austausch-Membran von 20 x 18 mm2 mit einem Schlitz 3 x 5.5 mm2 2 X für 10 min in reinem Wasser mit einer Leistung von 100 w.
    4. Mit einer Pinzette die Anionen-Austausch-Membran mit PDMS-Strömungskanal in der PDMS-Stausee gesetzt. Füllen Sie den Tank mit 4 mL NaOH-Lösung mit einer Mikropipette.
      Hinweis: Die Membran Oberfläche und Flow-Kanal sind eingetaucht in die Lösung, wo die Membranoberfläche ausgesetzt, die Lösung ist mindestens 100 x größer als der Querschnitt des Strömungskanals.
    5. Wenden Sie eine elektrische Spannung von 2,2 V mithilfe einer Gleichstromquelle in vorwärts-und rückwärts für 2 h in Serie, zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Membran vor Beobachtung an.
    6. Die Au-Elektroden mit einer Pinzette herausziehen. Entfernen Sie die Lösung aus den Lagerstätten mit einer Mikropipette.
    7. Setzen Sie neue Au-Elektroden in den Stauseen mit einer Pinzette. Füllen Sie die Behälter mit 4 mL NaOH-Lösung mit einer Mikropipette. Beobachtungen zu starten, wenn die Lösung equilibriert ist.
      Hinweis: Es dauert ein paar Minuten Wartezeit bis die natürliche Konvektion niederlässt, die beurteilt werden kann, durch die Beobachtung des Verhaltens der Tracer Partikel.
  3. Aufbau und Messung Experimentalsysteme
    1. Legen Sie die Frame-Rate und die Belichtungszeit der Kamera High-Speed-ergänzende Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) auf 500 fps und 1 ms, beziehungsweise.
      Hinweis: Wie in Abbildung 1dargestellt, das experimentelle Gerät auf der Bühne eines Mikroskops, verbunden mit einer High-Speed-CMOS-Kamera soll die Partikel Bewegungen aufzeichnen. Die Ansicht wird in einem 15 Monitor mit einem 100 X Objektiv vergrößert.
    2. Entfernen Sie alle Bläschen aus dem Kanal, indem man die Spitze einer Mikropipette in Kanal Ende zu schieben oder ziehen Sie sie, bevor man eine elektrische Spannung.
    3. Eine elektrische Spannung von 2,2 V extern auf die Au Bias Elektroden anwenden Gleichzeitige Überwachung der elektrischen Antworten mithilfe eines potentiostaten oder eine DC-Stromquelle mit einem digitalen Multimeter.
      Hinweis: Der Spannungswert ist entschlossen, die obere Grenze, Vermeidung von der Wasser-Elektrolyse, die O-2 und H2 Luftblasen in der Projektmappe generiert werden.
    4. Das Verhalten der Tracer Partikel auf dem Computer aufzeichnen.
    5. Messen Sie eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Strömungskanals mithilfe Au Sonde Elektroden und ein digital-Multimeter um zu bestätigen, dass das Konzentrationsgefälle von Ionen eine EHD Fluss38,39auslöst.
    6. Den Ursprung des kartesischen Koordinatensystems in der Mitte des Kanals zu bestimmen.
      Hinweis: Die X- Achse geht in Längsrichtung des Strömungskanals "und" y- und Z-Achsen sind in der horizontalen und vertikalen Richtungen im Querschnitt des Kanals, beziehungsweise, wie in Abbildung 2dargestellt. Transparente PDMS-Kanal ermöglicht Flüssigkeitsströmen visualisiert werden entlang der X-Achse. Der Blick konzentriert sich auf die Xy -Ebene bei Z = 0 durch die Kontrolle der Schärfentiefe. Die Bewegungsdaten sind unabhängig von X in der Messstrecke mit Ausnahme nur in der Nähe von Eingang und Ausgang des Kanals und der Aussichtspunkt befindet sich auf ca. 0,75 mm flussabwärts vom Ursprung, so dass X = 0,75, y = 0 und z = 0 mm.
    7. Nach einer einzigen Messung (15 s), die Elektroden durch Verbinden sie untereinander mit einem Vorsprung für 20 min bis die Lösung equilibriert ist Kurzschluss.
    8. Als nächstes bewegen Sie die Gesamtheit der Lösung auf ein anderes Schiff (z.B. eine 10 mL Probenflasche) und rühren Sie es mit einer Mikropipette.
    9. Füllen Sie die gerührte Lösung in die Kammer wieder mit einer Mikropipette beim iterativ das Experiment durchführen.
      Hinweis: Nach Beobachtung ist die EHD Strömungsgeschwindigkeit mithilfe der Partikel Image Velocimetry (PIV) Methode39, die getan werden kann, mithilfe der entsprechenden Software zu verfolgen die Auslenkung der Teilchen und numerisch bewerten die Geschwindigkeit ausgewertet. Eine ausführliche Erläuterung der PIV-Methoden und deren Verwendung wird hier ausgelassen, da PIV Analysen am meisten benutzt sind und die Verfahren der Berechnungen hängen von der Software und Betriebssystem, der verwendet wird.

(2) Beobachtung der EHD kation-induzierte Ströme

  1. Entwicklung von experimentellen Gerät
    1. Bilden Sie Au Bias Elektroden mit einer 26 x 10 mm2 Fläche auf der unteren Glasplatte nach Verfahren ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Schritten 1.1.5 - 1.1.7.
    2. Mit Hochfrequenz-Sputtern, Beschichten einer Glasoberfläche mit Cr oder Ti Ar Plasma für 2 min bei 75 Watt ausgesetzt und hinterlegen eine Au Dünnschicht für 5 min. bei 75 Watt.
      Hinweis: Diese Form der Elektrode wird ermittelt, um elektrische Felder im Großraum engsten Kanal hoch konzentrieren. Idealerweise ist das Verhältnis von der Elektrodenoberfläche, deren Fläche von 10 x 10 mm2 zu einer Flüssigkeit, dem Querschnitt des Kanals ausgesetzt ist 100: 1; Dieses Verhältnis wird voraussichtlich eine große Menge16ausreichen, um das elektrische Potential an den Kanal zu fallen.
    3. Löten Sie eine Blei-Linie an einer Kante der Elektroden mit einem Lötkolben.
    4. Aus einer großen Silikon Kautschuk, 2 Kammern, ausgeschnitten jede gemacht von einem 1 x 1 x 1 mm-3 -Flow-Kanal platziert zwischen zwei 10 x 10 x 1 mm3 Stauseen, mit einem chirurgischen Messer (siehe Abbildung 3). Diese Teile können von PDMS ersetzt werden.
    5. Schneiden Sie ein KATIONENAUSTAUSCH Membran mit einer durchschnittlichen Stärke von 127 µm bis 20 x 30 mm mit einem Teppichmesser oder chirurgische Messer, wie in Abbildung 3dargestellt.
    6. Ultrasonicate jedes Teil in reinem Wasser für 15 min durch die Anwendung von 100 W.
    7. Legen Sie eine KATIONENAUSTAUSCH Membran zwischen den Kammern mit einer Pinzette, wie in Abbildung 3dargestellt. Dies wird 2 Elektrolytlösungen von unterschiedlichen Konzentrationen trennen.
    8. Drücken Sie und verschließen Sie den Stapel der Kammern und KATIONENAUSTAUSCH Membran mit Glasplatten, deren Abmessungen 26 mm breit und 38 mm lang sind.
  2. Vorbereitung der Lösungen
    1. Bereiten Sie eine Dispersion von Polystyrol Partikel von einem mittleren Durchmesser von 1,01 µm in einem 1 x 10−2 Mol/L Tris (Hydroxymethyl) Aminomethane Ethylenediaminetetraacetic (Tris-EDTA) Puffer Säurelösung, wo das Volumenverhältnis 1 x 10−2 angepasst ist Vol-%.
    2. Bereiten Sie eine Mischung von 1 Mol/L KCl und 1 x 10−2 Mol/L Tris-EDTA.
    3. Das Tris-EDTA/Polystyrol-Partikel und Tris-EDTA/KCl-Lösungen in der unteren und oberen Kammern bzw. zu injizieren, per Spritze Nadel eingesetzt von den Seitenwänden der Kammern.
      Hinweis: Die Menge der Lösungen in jeder Kammer eingespritzt ist ungefähr 210 µL.
    4. Warten Sie ca. 18 h, bis die Lösung durch eine Diffusion der Ionen zu den Ionen-Konzentration Unterschied zwischen den oberen und unteren Schichten entspannen equilibriert ist.
      Hinweis: In den Diffusionsprozess K+ in der oberen Lösung und H+ in der Membran werden voraussichtlich die Membran durchdringen erste und Cl− wird erwartet, ihnen zu folgen.
  3. Aufbau und Messung Experimentalsysteme
    1. Stellen Sie das experimentelle Gerät entwickelt in Schritt 2.1 auf der Bühne des inversen Mikroskop von hand, wie in Abbildung 3dargestellt. Verbinden Sie das Mikroskop mit einer High-Speed-CMOS-Kamera die Flugbahnen der Teilchen-Bewegungen aufzeichnen und die Beobachtungsdaten auf einem Computer.
    2. Wenden Sie eine elektrische Potentialdifferenz von 2 V für 6 s zwischen den beiden Elektroden mit einem Funktionsgenerator als Stromquelle.
    3. Um zu bestätigen, dass EHD fließt durch Ionentransport induziert werden, Messen Sie die Ionischen Ströme gleichzeitig mit einem Amperemeter40.
    4. Analysieren Sie die aufgezeichneten Flugbahnen der Teilchen durch die tracking-Velocimetry (PTV) Methode39Partikel.
      Hinweis: Nach den Beobachtungen, ist die EHD-Strömungsgeschwindigkeit von der PTV-Methode, die bewertet möglich ist durch den Einsatz geeigneten Software, verfolgen die Auslenkung der Teilchen und numerisch auswerten die Geschwindigkeit. Eine ausführliche Erläuterung der PTV-Methoden und deren Verwendung wird hier ausgelassen, da PTV Analysen am meisten benutzt sind und die Verfahren der Berechnungen hängen von der Software und Betriebssystem, der verwendet wird.

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Representative Results

Abbildung 4 (video Bild) präsentiert ein repräsentatives Ergebnis einer EHD Fluss Generation, die aus der Berichtigung der Ionen-Transportwege und hochkonzentrierten kationen, die einen Flüssigkeitsstrom in den Kanal induziert gemäß Schritt 1 des Protokolls. Abbildung 5 zeigt ein Ergebnis der PIV-Analyse, wo 20 Datenpunkte nahe der Mitte des Kanals (y = Z = 0 mm) wurden gemittelt. Im Falle von 1 x 10−1 Mol/L NaOH Lösung, wenn eine elektrische Spannung von 2,2 V galt bei t = 5 s, die Geschwindigkeit der Tracer Partikel schnell stieg auf ein Spitzenwert. Danach die Geschwindigkeit verringert und auf 0 konvergiert. Die Peak-Geschwindigkeit erreicht ein in der Nähe von 2 mm/s. Dies ist ein typisches Ergebnis der eine EHD-Fluss mit einem Anion-Austausch-Membran und einem 1 x 10−1 Mol/L NaOH Lösung generiert.

Es wurde auch bestätigt, dass die elektrophoretische Transportgeschwindigkeit der Tracer Partikel wesentlich niedriger als die Spitze Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrom in 1 x 10−1 Mol/L NaOH Lösung38,39. Wie in der Literatur39erörtert, gilt diese Art von EHD fließen der umgekehrte Ströme gezogen, indem OH− durch die Membran und Na+ und H+ konzentrierte sich im Strömungskanal zum Ausgleich der Anion bestehen in der Membran zu transportieren. Da die Konzentration verringert, tendenziell das Transportverhalten langsamer zu werden. Dies bedeutet, dass die Dauer-bis die Geschwindigkeit einen Höhepunkt erreicht- und die Abklingzeit schien länger, Verringerung den Spitzenwert der Geschwindigkeit. Dieses Ergebnis darauf hingewiesen, dass die Zahl der Ionen, deren Bewegung durch elektrische Kräfte angetrieben wurde, und infolgedessen die elektrischen Körperkraft in der Flüssigkeit wurde ebenfalls reduziert.

Eine wichtige Beobachtung ist, dass kontinuierliche Ionischen Ströme durch die Ionen selektive Schnittstellen behoben verursacht Lösungsmittel Moleküle in eine Richtung gezogen werden und dies ein Flüssigkeitsstrom verursacht zu entwickeln. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass der Flüssigkeitsstrom durch Ionen-Konzentration Polarisation überqueren die Anion-Austausch-Membran, die den Rückfluss in den Kanal ausgelöst verbessert wurde. Dieser Punkt wurde bereits in einer früheren Studie39erwähnt. Es wurde angenommen, dass AC-Felder auch wirksam, fließt Flüssigkeit in regelmäßigen Abständen wechselnden Richtungen zu kontrollieren waren. Der vorliegende EHD-Fluss beschränkte sich auf vorübergehende Reaktionen aufgrund der begrenzten Anzahl von Na+ -Ionen; Diese Situation war nicht förderlich für die Aufrechterhaltung eines stetigen kationischen Stroms, obwohl die angelegte Spannung von 2,2 V genug war, um die Elektrolyse von Wasser zu induzieren. Um konstante EHD Ströme erzeugen, schlagen wir ziehen Lösungsmittel Moleküle mit Ionen-Arten, die die dominante Träger von den Ionenstrom. Weitere Details werden in unsere zukünftige Arbeit überprüft werden. Hier haben wir ein repräsentatives Ergebnis eine EHD-Strömung, die in NaOH Lösungen durch Gleichrichtung Ion Transportwege induziert werden konnte. Details über die Konzentration Abhängigkeit und elektrische Potentialdifferenzen sind auch von Yano, Doi und Kawano37,38 und Yano, Shirai, Imoto, Doi und Kawano39diskutiert.

Abbildung 6 (video Abbildung) zeigt ein repräsentatives Ergebnis der EHD Strömung in eine elektrisch polarisierten Lösung unter den Ionischen gegenwärtigen Bedingungen erzeugt. Die Geschwindigkeit Reaktion der EHD Strömung wurde auch durch die Verfolgung der Tracer-Teilchen, wie in Abbildung 7, das war ein typisches Ergebnis erhalten durch die Verfolgung eines einzelnen Partikels nahe dem Zentrum des Strömungskanals analysiert. Wenn eine elektrische Spannung von 2 V angewendet wurde, von t = 2 bis 8 s, Polystyrol Partikel auf das angewandte elektrische Feld reagiert. Bei t = 2 s, das Teilchen schnell in Rückwärtsrichtung, entsprechend des elektrophoretischen Transports von negativen Ladungen umgesiedelt. Nach kurzer Reaktionszeit wurde der Fluss geändert, um die Richtung und die Geschwindigkeit stabil bei 30 µm/s bis das elektrische Potenzial ausgeschaltet wurde.

In diesem Zeitraum die negativ geladenen Polystyrol Partikel in Richtung des Transports von den positiven Ladungen verschoben. Im allgemeinen könnte die nicht spontan unter die ein-seitige Feldstärke umgekehrt werden auch wenn die Oberflächenladung der Partikel durch den Zähler-kationen vollständig abgeschirmt wurde. So, dieses Ergebnis zufolge kationen verstreut in der Lösung auch elektrophoretisch transportiert wurden, an den elektrischen Feldern, ziehen Lösungsmittel Moleküle, die allmählich ein Flüssigkeitsstrom entwickelt. Negative Ladungen hochkonzentriert an der Partikeloberfläche verursacht eine elektrische Kraft, die stärker ist als die durch kationen in der Lösung verteilt, und so fuhr zunächst den Transport in die negative Richtung. Danach erhöht ein Flüssigkeitsstrom, gezogen von den kationischen Strom ziehen Kraft auf das Teilchen. In diesem Regime Geschwindigkeit Steigungen beobachtet tatsächlich entlang der y-Achse senkrecht zur Fließrichtung und damit eine Flüssigkeitsströmung Generation tatsächlich bestätigt wurde.

Das Verhalten von Polystyrol Partikel EHD fließt davon betroffen war auch in einer früheren Studie ausgewertet, und es wurde festgestellt, dass die Strömungsgeschwindigkeit der EHD mit einer zunehmenden Ionenstrom proportional erhöht. Eine Wartezeit von mehr als 18 h vor dem Auftragen eines externen elektrischen Feldes ist der wichtigste Faktor zur Induktion einer Konstanten EHD, denn es eine lange Zeit für die Ion-Ausschüttungen dauert an equilibriert werden, denn sie sind fast einheitlich in den Kanal. Infolgedessen werden Poiseuille-ähnlichen fließstrukturen kontinuierlich beobachtet. Auf der anderen Seite konnten wir einen stetigen Fluss nicht bestätigen, als die Wartezeit nicht ausreicht, um einheitliche Ion Distributionen zu erreichen war.

Nach der Feststellung einer konstanten Geschwindigkeit, das elektrische Potenzial war ausgeschaltet bei t = 8 s. Hier können die abgeschirmten Elektroden um schnell die elektrische Potentialdifferenz von 2 auf 0 V zu ändern, eine übermäßige Anwendung des elektrischen Potentials, wenn beide Elektrodenflächen wird benötigen. In diesem Prozess erhalten die Ionen hochkonzentriert in der Nähe der Elektrodenflächen abstoßende elektrische Kräfte, dessen Ergebnis im Ionischen Ströme umgekehrt. Vor allem, wurde die kationischen Strömung, die in der unteren Schicht verursacht ein Flüssigkeitsstrom zu generierenden dominierend war und Einschwingverhalten in Rückwärtsrichtung tatsächlich beobachtet in der experimentellen Resultat, das sofort wann erschien das elektrische Potenzial war ausgeschaltet und auf 0 µm/s konvergiert. Solche Prozesse in die EHD-Flow-Generierung wurden typische in diesem Experiment. Neben den ständigen EHD-Fluss der rückwärts fließt beobachtet, wenn das elektrische Potenzial einschalten und ab sind auch interessant. In den Transienten Antworten verursachen elektrochemische Reaktionen an den Elektroden-Oberflächen möglicherweise drastische Ionen-Konzentration Steigungen, die induzieren die mögliche Verbreitung sowie äußerlicher Anwendung elektrischer Potenziale. Solche komplizierten Ionentransport, die Phänomene noch nicht wurden abgeklärt genug, und daher sind Themen in Zukunft gelöst werden arbeiten.

Die Mechanismen der EHD-Flow-Generierung sind schematisch in Abbildung 8dargestellt. Eine EHD Strömung induzierte NaOH-Lösungen ist in Abbildung 8ein, entsprechend für den Fall der Abbildung 4dargestellt. Die EHD Strömung im Kanal von Na+ geschleppt wird durch den Transport von OH− in einem Anion-Austausch-Membran ausgelöst. Die instationäre Strömung verursacht durch die Verlustleistung durch Massenstrom Dämpfung, Dynamik Flussmittel Dämpfung, Oberfläche Mobilität und Electrowetting der Elektrodenflächen. Ein weiterer Mechanismus der EHD Strömung induzierte unter kationischen Aktuelle Bedingungen, die mehr als die anionischen dominieren, ist in Abbildung 8bvertreten. K+ -Ionen dringen zunächst eine KATIONENAUSTAUSCH Membran, verursachen kation vorherrschenden Bedingungen, und infolgedessen EHD-Fluss entlang des kationischen Stroms induziert wird.

Wie oben beschrieben, ist die Aufrechterhaltung elektrisch polarisierter Bedingungen unter den Ionischen gegenwärtigen Bedingungen durch die Verringerung der Anwendung des elektrischen Potentials Schlüssel für stationäre EHD Strömungen erzeugen. Mit den gegenwärtigen Methoden einige Volt können ausreichend sein fließt induzieren EHD in wässrigen Lösungen, obwohl Wasser-Elektrolyse Konstante Ionische Strömungen um die Impulsübertragung von Elektrolyt-Ionen an Lösungsmittel Moleküle zu erhöhen beibehalten werden muss.

Figure 1
Abbildung 1 : Foto der Versuchsaufbau für die EHD Fluss Beobachtung. Bewegungen der Tracer-Teilchen werden durch ein Mikroskop, verbunden mit einer Highspeed-Kamera, Aufzeichnung der Trajektorien im Controller verfolgt. Elektrische Potentiale werden unter Verwendung eines potentiostaten oder eine DC-Stromquelle angewendet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Schematische Darstellung einer experimentellen Vorrichtung. Ein Strömungskanal, gemacht von PDMS ist an ein Anion-Austausch-Membran fixiert und gefüllt mit einer wässrigen Lösung von NaOH. Au-Elektroden sind an beiden Enden der Lösung. Der Ursprung der Koordinate befindet sich in der Mitte des quadratischen Strömungskanal und ein Beobachtungsbereich ist in einem Xy -Ebene in der Nähe von X = 0.75 und Z = 0 mm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Foto von Versuchsaufbau und schematische Darstellung eines Geräts induzieren eine kation gezogen EHD Strömung in eine elektrisch polarisierten Lösung. Eine 1 Mol/L KCl und 1 x 10−2 Mol/L Tris-EDTA-Pufferlösung und ein 1 x 10−2 Vol % Polystyrol (PSt) partikeldispersion in einem 1 x 10−2 Mol/L Tris-EDTA-Pufferlösung mit einer KATIONENAUSTAUSCH Membran getrennt sind, der mittlere Durchmesser der die PST-Partikel ist 1,01 µm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 (video Abbildung): ein Film von EHD Strömung angetrieben durch den Transport von Ionen Na+ konzentrierte sich im Strömungskanal. Die Tracer-Partikel sind in der Richtung des elektrischen Feldes transportiert, wenn eine elektrische Spannung von 2,2 V t angewendet wird = 5 S. negativ geladenen Polystyrol Partikel werden an der Kathodenseite in einem EHD-Fluss getrieben von den kationischen Stromin gebracht der Kanal. Bei einer 1 x 10−1 Mol/L NaOH Lösung ist eine Spitze-Geschwindigkeit in der Nähe von 2 mm/s schnell erreicht, nach der Anwendung eine elektrische Spannung und die Geschwindigkeit schrittweise auf NULL zerfällt. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen. (Rechtsklick zum download)

Figure 5
Abbildung 5 : Die Reaktion der EHD Strömung beobachtet im Strömungskanal, die aus der PIV-Analyse für den aufgezeichneten Film von Abbildung 4. Die Geschwindigkeit Reaktion (blaue durchgezogene Linie) wurde durch den Durchschnitt der 20 Punkte in der Mitte des Kanals erhalten (y = Z = 0 mm). Die Geschwindigkeit steigt schnell nach dem Auftragen einer elektrischen Spannung von 2,2 V 5 s und allmählich bis 0 mm/s konvergiert. Die Reihenfolge der angelegten Spannung wird auch durch eine rote gestrichelte Linie angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6 (video Abbildung): ein Film von EHD fließen in eine elektrisch polarisierten Lösung beobachtet eine 1 Mol/L KCl-Lösung und Polystyrol-Dispersion mithilfe einer KATIONENAUSTAUSCH Membran trennt. Anwendung eine elektrische Spannung von 2 V von t = 2 bis 8 s, der Transport Tracer Teilchen reflektiert eine EHD Strömung angetrieben durch einen kationischen Strom. Eine Konstante Strömungsgeschwindigkeit erreicht 30 µm/s während der Anwendung des Potenzials. Darüber hinaus reagiert die Partikel auch kurz in die negative Richtung, wenn das elektrische Potenzial aktiviert oder deaktiviert ist, da die elektrische Ladung eines Teilchens Erstens die Bewegung betrifft. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen. (Rechtsklick zum download)

Figure 7
Abbildung 7 : Die Reaktion der EHD Strömung beobachtet in den Kanal, die aus der PTV-Analyse für den aufgezeichneten Film von Abbildung 6. Die Geschwindigkeit Reaktion (blaue durchgezogene Linie) wurde durch die Verfolgung eines einzelnen Partikels nahe der Mitte des Kanals erhalten. Die Reihenfolge der angelegten Spannung wird auch durch eine rote gestrichelte Linie angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 

Figure 8
Abbildung 8 : Schaltpläne der EHD fließen Generation Mechanismen entsprechend Abbildungen 4 und 5 (Gruppe a) und 6 und 7 (Gruppe b). (ein) fließt Flüssigkeit sind in einer wässrigen Lösung von NaOH induziert, die ist mit einer Anion-Austausch-Membran, wo EOF induziert durch eine OH-− -Transport in der Membran eine Strömung gezogen von einem Na+ -Transport im Kanal löst getrennt und ist zum Teil Massenstrom Dämpfung, Dynamik Flussmittel Dämpfung, Oberfläche Mobilität und Electrowetting der Elektrodenflächen abgeführt. (b) die kationischen Strom ist dominanter als der anionischen Strom, weil K+ zunächst eine KATIONENAUSTAUSCH Membran dringt trägt zu einem Flüssigkeitsstrom durch kationen unter konstanten Bedingungen mit Wasser gezogen Elektrolyse. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 

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Discussion

Der Zweck dieser Studie war, kationen und Anionen in wässrigen Lösungen in Bezug auf die räumliche Verteilung und Transport Zahlen zu trennen. Mit einem Anion-Austausch-Membran, könnte der Transport von Anionen und kationen in der Membran und in einen Strömungskanal, der die Membran, bzw. durchdringt korrigiert werden. Alternativ, arbeitete eine KATIONENAUSTAUSCH Membran, die hohe und niedrige Konzentration Lösungen getrennt, um elektrisch polarisierte Lösungen nach erheblicher Wartezeit zu generieren. Infolgedessen gelang es gleichgerichtete Ionische Strömungen der angelegten Spannungen um Ion gezogen EHD Ströme induzieren.

Die hier vorgestellten Methoden sind verfügbar für wässrige Lösungen mit geringen Anwendung Spannungen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die extrem hohe Spannungen von 10 kV, elektrische Ladungen in unpolaren Lösungen zu injizieren. Es wurde klargestellt, dass EHD fließt in wässrigen Lösungen als auch nicht-polaren Lösungen wirksam sind.

Die heutigen Methoden hängen jedoch Wasser-Elektrolyse weiterhin konstantere Ionische Strömungen in denen das ideale Potenzial der Wasserelektrolyse bekanntlich 1,23 V. So gibt es eine Beschränkung auf die angelegte Spannung zu vermeiden, O2 und H2 Bläschen, die ändern Sie die Eigenschaften einer Flüssigkeit zu generieren. Um diese Einschränkung zu umgehen, müssen Materialien der Elektroden und Elektrolytlösungen entsprechend ermittelt werden, elektrochemische Reaktionen auf die Elektrodenflächen Ionen strömen in die Lösungen zu generieren. Bei jedem Versuch sollte die Elektrodenflächen poliert und entblößte um ein starkes elektrisches Feld in der Lösung, Verbesserung der elektrochemischen Reaktionen zu machen.

In dieser Studie wurde der Einsatz von Ionenaustauscher Membranen vorgeschlagen, die Transportwege der ionenspezies zu korrigieren. Auf der anderen Seite schien die Effizienz des EHD-Flow-Generierung von der Fähigkeit der Membranen abhängig. Wie im Protokoll erwähnt, nimmt die Diffusion von Ionen eine beträchtliche Wartezeit bis sie stabil wird. Daher ist die Preprocess zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Membranen entscheidend zur Verbesserung der Effizienz der EHD-Flow-Generierung. Bei der Pflege der ionischer aktuellen Bedingungen in externen elektrischen Feldern Transporteigenschaften von Ionen wurden verbessert, und elektrisch polarisierte Bedingungen effektiv erreicht werden.

In Zukunft sollen EHD Ströme von wässrigen Lösungen für Flüssigkeitsstrom Kontrollsysteme in Mikro- und nanofluidischen Geräte in Kombination mit EOFs und dergleichen gelten. Darüber hinaus sind auch Anwendungen für medizinische Geräte, in denen, die Ionen Transport eine wichtige Rolle spielt in biologischen Zellen zu stimulieren und signal-Transduktion, eine Herausforderung.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren haben keine Bestätigungen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sylgard 184 Dow Corning Corp. 3097366-0516, 3097358-1004 PDMS
Acetone Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 012-00343
Ethanol Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 054-00461
0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 196-02195
Pottasium Chloride Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 163-03545
Tris-EDTA buffer 100x concentrate Sigma-Aldrich Co. LLC. T9285-10014L
2.93 μm polystyrene particle Merck KGaA L300 Rouge Tracer particle
1.01 μm polystyrene particle Merck KGaA K100(23716) Tracer particle
Anion exchange membrane ASTOM Corp. Neosepta AHA
Gold (Au) Furuuchi Chemical Corp. AUT-13301X Sputtering target metal
Titanium Furuuchi Chemical Corp. TIT-72301X Sputtering target metal
Chromium Furuuchi Chemical Corp. CRT-24301X Sputtering target metal
Hight-speed CMOS camera Keyence Corp. VW-600M
Microscope Keyence Corp. VW-9000
Data logger Keyence Corp. NR-500, NR-HA08
Laser displacement meter Keyence Corp. LK-G5000, LK-H008W
PIV and PTV software DITECT Co. Ltd. Flownizer 2D
Potentiostat AMTEK Inc.  VersaSTAT4
Inverted microscope Olympus Corp. IX73
High-speed CMOS camera Andor Technology Ltd. Zyla 5.5 sCMOS
Function generator NF Corp.  WF1945B
Function generator NF Corp.  WF1973
Ultrasonic cleaner AS ONE Corp. AS22GTU
Rotary pump ULVAC, Inc. G-100S Degas liquid PDMS
Rotary pump ULVAC, Inc. GLD-201A Sputtering 
Molecular diffusion pump ULVAC, Inc. VPC-400 Sputtering

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Engineering Ausgabe 139 Electrohydrodynamic Fluss aktuelle wässrigen Ionenlösung Berichtigung Elektrophorese Ionenaustausch Membran
Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen
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Doi, K., Nito, F., Yano, A., Nagura, R., Kawano, S. Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions. J. Vis. Exp. (139), e57820, doi:10.3791/57820 (2018).

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