Summary
La rectification des voies de transport des ions est une méthode efficace pour générer des flux unidirectionnel ion-traîné électrohydrodynamique. En définissant une membrane échangeuse d’ions dans un canal d’écoulement, une condition électriquement polarisée est générée et provoque un écoulement du liquide à circuler lorsqu’un champ électrique est appliqué à l’extérieur.
Abstract
De conduire électrohydrodynamique (DHM) s’écoule dans des solutions aqueuses, la séparation des voies de transport cation et l’anion est essentielle car une force dirigée corps électrique doit être induite par des mouvements ioniques dans un liquide. En revanche, les charges positives et négatives s’attirent, et électroneutralité est maintenue partout dans les conditions d’équilibre. Par ailleurs, une augmentation dans une tension appliquée doit être supprimée pour éviter l’électrolyse de l’eau, ce qui provoque les solutions à devenir instable. Habituellement, DHM flux peuvent être induites dans des solutions non aqueuses en appliquant des tensions extrêmement élevées, tels que des dizaines de kV, d’injecter des charges électriques. Dans cette étude, deux méthodes sont introduits pour générer des flux de DHM induites par la séparation des charges électriques dans des solutions aqueuses, où deux phases liquides sont séparés par une membrane échangeuse d’ions. En raison d’une différence dans la mobilité ionique dans la membrane, la polarisation de concentration ionique est induite entre les deux côtés de la membrane. Dans cette étude, nous montrons deux méthodes. (i) l’assouplissement des gradients de concentration des ions s’effectue via un canal d’écoulement qui pénètre dans une membrane échangeuse d’ions, où le transport des espèces plus lents dans la membrane sélectivement devienne dominant dans le chenal d’écoulement. Il s’agit d’une force motrice pour générer un flux EHD dans le liquide. (ii) un long temps d’attente pour la diffusion des ions en passant à travers la membrane échangeuse d’ions permet la génération d’un flux ionique-traîné en appliquant extérieurement un champ électrique. Les ions concentrées dans un canal d’écoulement d’un 1 x 1 mm2 section déterminent la direction de l’écoulement du liquide, correspondant aux voies de transport électrophorétique. Dans les deux méthodes, la différence de tension électrique requise pour une génération de flux DHM est considérablement réduite à près de 2 V de rectifier les voies de transport des ions.
Introduction
Récemment, les techniques de contrôle de débit des liquides ont attiré beaucoup d’attention en raison de l’intérêt pour les applications des micro - et nanofluidiques dispositifs1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. dans les solutions polaires, tels que les solutions aqueuses et des liquides ioniques, des ions et particules chargées électriquement apportent habituellement sur des charges électriques dans le flux de liquides. Le transport de telles particules polarisées prévoit une expansion de diverses applications, comme la manipulation de la molécule unique6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diode dispositifs12,18et écoulement liquide contrôlent19,20,21,22. Flux DHM a été un phénomène applicable pour les systèmes de contrôle de flux liquide depuis l’invention de Stuetzer1,2 la pompe de frein ion. Melcher et Taylor3 a publié un article important dans lequel le cadre théorique du flux DHM a bien examiné et certaines expériences exceptionnelles ont également été démontrées. Saville4 et ses collègues de travail23,24 , contribua à l’essor suivant des technologies de l’EHD dans les liquides. Cependant, il y a quelques limitations à induire des flux liquides par des forces électriques, parce que des dizaines de kV devraient s’appliquer dans les liquides à injecter des charges électriques dans des solutions non polaires, tels que les huiles, à polariser les1,2 , 3. c’est un inconvénient pour les solutions aqueuses, parce que l’électrolyse de l’eau qui est induite par un potentiel électrique supérieur à 1,23 V modifie les caractéristiques des solutions et rend les solutions instable.
Dans les canaux micro - et nanofluidiques, des charges de surface des parois du canal provoquent la concentration des contre-ions qui induisent efficacement les flux électroosmotique (expressions du folklore) en vertu de l’application externe des champs électriques25,26,27 ,28,29. À l’aide d’expressions du folklore, des techniques de pompage liquides ont été appliquées dans des solutions aqueuses, en réduisant les tensions électriques30,31,32. En revanche, expressions du folklore est limité à être générée en micro - et nanospaces dans lequel les surfaces deviennent plus dominants que les volumes de liquide. Par ailleurs, selon le transport d’ions hautement concentrés très près des surfaces de mur, comme dans les couches doubles électriques, la limite de glissement seulement provoque l’écoulement du liquide, qui n’est peut-être pas suffisante pour en faire des gradients de pression7, 8 , 22 , 26 , 27. affiner, telle que les dimensions du canal et des concentrations salines, est requis pour les applications des expressions du folklore. En revanche, DHM coule animées par le corps des forces semblent être disponible pour le transport de masses et énergies si les tensions d’application peuvent être réduites afin d’éviter la dégradation de solvants. Récemment, certains chercheurs ont suggéré des applications de flux DHM avec basses tensions33,34,35,36. Bien que ces technologies n’ont pas encore été appliquées, les frontières sont censés développer.
Dans des études précédentes, nous avons également mené des travaux expérimentaux et théoriques sur les flux de JEP en solutions aqueuses37,38,39,40. Il a été supposé que la rectification des voies de transport ionique était efficace pour générer des solutions chargées électriquement qui provoquent les forces électriques corps sous des champs électriques. En utilisant une membrane échangeuse d’ions et un canal de flux traversant la membrane, nous étions en mesure de rectifier les courants ioniques. Lorsque vous appliquez une membrane échangeuse d’anions, cations concentrent dans le flux canal traîné les solvants et mis au point un DHM flux37,38,39. Une différence dans la mobilité des espèces ioniques a été un facteur important en séparant les courants cationiques et anioniques. Les membranes échangeuses d’ions a travaillé efficacement pour moduler la mobilité en raison de la sélectivité ionique. Phénomènes de transport ionique ont aussi été examinées sous l’angle de la densité de courant ionique, influencée par des champs électriques appliqués41. Ces études ont été fructueux pour les techniques de manipulation en développement pour des molécules simples, à savoir, micro - et nanoparticules, dont les mouvements sont fortement affectées par les fluctuations thermiques11,16,17 . Expressions du folklore et des flux de DHM devraient élargir la variété des méthodes de contrôle de flux précis ainsi que des gradients de pression.
Dans cette étude, nous montrons deux méthodes pour lecteur DHM coulées dans des solutions aqueuses. Tout d’abord, une solution de NaOH est utilisée pour un fluide de travail pour exciter un DHM flux37,38,39. Une membrane échangeuse d’anions sépare le liquide en deux parties. Un canal d’écoulement de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec une section de 1 x 1 mm et une longueur de 3 mm pénètre la membrane. En appliquant un potentiel électrique de 2.2 V, le transport électrophorétique de Na+H+et des ions OH− est induit dans les champs électriques. Une membrane échangeuse d’anions et un canal d’écoulement fonctionnent efficacement pour séparer les voies de transport ionique, où les anions dominante traversent la membrane et cations se concentrent dans le chenal d’écoulement, bien que les deux espèces se déplacent habituellement dans des directions opposées, maintenir l’électroneutralité. Ainsi, une telle condition ne provoque pas une force motrice pour le flux de liquides. Cette structure est cruciale pour générer un flux de DHM dont la vitesse de débit atteint l’ordre de 1 mm/s dans le chenal car très concentré cations accélérées par des champs électriques externes glisser molécules de solvant. DHM flux sont observées et enregistrées à l’aide d’un microscope et une caméra à grande vitesse tel qu’illustré à la Figure 1. Deuxièmement, une différence de concentration entre deux phases liquides séparés par une membrane échangeuse d’ions provoque une condition électriquement polarisée à générer traversant une de membrane échangeuse d’ions40. Dans cette étude, nous constatons l’importance d’un temps d’attente considérable s’équilibrer la répartition ionique et un potentiel électrique correspondant, qui causent des conditions préférables d’appliquer une force de corps dans un liquide. En traversant la membrane échangeuse d’ions, une condition faiblement polarisée est atteint. Dans une telle condition, un champ électrique externe induit des transports ioniques directionnelle qui génère une force de corps dans un liquide, et en conséquence, le transfert d’impulsion par les ions au solvant développe un flux DHM.
Comme mentionné ci-dessus, les dispositifs actuels parviennent à diminuer drastiquement la différence de tension appliquée à quelques volts, et donc cette méthode est utilisable pour des solutions aqueuses, bien que les méthodes d’injection de charge électrique conventionnelle exige des dizaines de kV et se limitent à une demande pour des solutions non aqueuses.
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Protocol
1. DHM flux induit par Transport ionique rectifié
- Développement d’un dispositif de canal de flux pour rectifier des voies de transport ionique
- Faire un moule PTFE du réservoir :
- Couper une 13 x 30 x 10 moule de3 mm dans un bloc de polytétrafluoroéthylène (PTFE) à l’aide d’une fraiseuse (voir Figure 2). Vous pouvez également acheter un produit sur mesure.
- Respecter les plaques acryliques de 15 x 18 x 1 mm3 aux deux extrémités de la moule PTFE avec un plastique adhésif, qui rendre les fentes dans le réservoir s’installer les électrodes de biais. Ces pièces peuvent être découpés dans une grande assiette ou achetés.
- Respecter les plaques acryliques de 13 x 30 x 1 mm3 sur les surfaces supérieures et inférieures du moule PTFE avec un adhésif en plastique pour faire des surfaces planes pour observation claire.
- Mélanger un agent silicone élastomère base et durcissement du ratio de 10:1 dans un tube de 50 mL et agiter le tube à la main.
- Régler le PDMS liquide dans un récipient vide et il dégazer à l’aide d’une pompe rotative.
- Retirez le tube du navire. Versez le PDMS dans un 40 x 50 x 24 mm3 plastique bateau moule à la forme extérieure du réservoir et placer le moule de réservoir (voir étape 1.1.1) dedans.
- Faire cuire l’ensemble du corps du PDMS liquide sur une plaque de cuisson à 80 ° C pendant environ 4 h.
- Après la cuisson, isoler le réservoir PDMS de la moule PTFE et le récipient extérieur à la main. Faire une fente à travers le centre du réservoir à l’aide d’un bistouri. Cela servira à mettre les bords d’une membrane échangeuse d’anions (préparé à l’étape 1.1.16) à l’aide de pinces à épiler.
NOTE : Le réservoir PDMS est rempli de solutions d’électrolytes plus tard, comme illustré à la Figure 2. - Obtenir les plaques de verre (édictés par le décret spécial) avec une forme circulaire de 18 mm de diamètre ou dans un carré avec des bords de 18 mm.
- Laver les plaques de verre en les trempant dans l’acétone, l’éthanol et l’eau pure (dans cet ordre) dans un bain à ultrasons pendant 15 minutes chaque.
- Souffler les liquides résiduels avec un pistolet à air ou chauffer les plaques de verre avec une plaque chauffante pendant 5 min à environ 473 K.
- À l’aide de pulvérisation de radiofréquence, enduire la surface de verre avec Cr ou Ti exposés au plasma Ar PDT 1 min à 75 W et successivement, déposer une couche mince de l’UA pendant 5 min à 75 W, réglage de l’épaisseur à environ 100 nm.
Remarque : Avant le revêtement de la surface de verre avec les métaux de la cible, les échantillons ont été mis dans une chambre à vide qui a été évacuée avec une pompe rotative et une pompe à diffusion moléculaire jusqu'à ce que la pression a diminué à 1 x 10−2 PA. - Souder un fil sur la surface de l’électrode à l’aide d’un fer à souder.
NOTE : La forme de l’électrode Au peut éventuellement être remplacée par places et fils hélicoïdes, maintien des surfaces assez grands pour générer des courants ioniques. - Avec la pince à épiler, mettre les plaques de verre recouvertes d’une couche mince de l’UA aux deux extrémités du réservoir. Ce sont les électrodes de biais.
- Couper une membrane échangeuse d’anions en une forme rectangulaire de 20 x 18 mm2 à l’aide de ciseaux. Une superficie de 13 mm de largeur et 10 mm de hauteur est exposée à un liquide. Ici, un coupeur de boîte ou de bistouri peut également être utilisé pour couper la membrane.
- Découper un morceau rectangulaire de 3 x 5. 5 mm2 d’un bord de la membrane avec des ciseaux.
Remarque : L’épaisseur de la membrane échangeuse d’anions est 220 µm. La membrane est facilement couper avec des ciseaux ou un cutter. Les bords de la membrane sont fixés en partie avec les fentes dans la chambre. - Solidifier un bloc PDMS avec une tige en acier inoxydable d’une coupe de2 mm 1 x 1 de la même manière tout comme aux étapes 1.1.4 - 1.1.5, pour créer un canal d’écoulement qui pénètre la membrane. Laissez la construction du jour au lendemain et puis tirer la tige en acier inoxydable dans le bloc PDMS.
- Couper le PDMS bloc avec un canal d’écoulement carrée dans un 3 x 6 x 4,5 mm totale (voir Figure 2) en utilisant un couteau chirurgical. Faire des fentes le long des bords extérieurs, puis attachez-le à la membrane dans le rectangle à découper.
Remarque : La face supérieure du canal doit être réglé horizontalement pour une observation claire des particules dans le flux canal via le mur transparent.
- Faire un moule PTFE du réservoir :
- Préparation de solutions et prétraitements pour des expériences
- Préparez solution aqueuse de NaOH à des concentrations de 1 x 10−1, 1 x 10−2et 1 x 10−3 mol/L en diluant la solution mère.
- Faire en moyenne une dispersion de particules de polystyrène de 2,93 µm de diamètre dans chaque solution NaOH préparées à l’étape 1.2.1 en définissant la concentration à 4,2 x 10−3 vol%.
Remarque : La taille des particules traceur peut être réglée convenablement pour améliorer l’observabilité. - Ultrasonicate la membrane échangeuse d’anions au format 20 x 18 mm2 avec une fente de 3 x 5. 5 mm2 2 x pendant 10 min dans l’eau pure à une puissance de 100 w.
- Avec des pincettes, définissez la membrane échangeuse d’anions avec le canal d’écoulement PDMS dans le réservoir PDMS. Remplissez le réservoir avec 4 mL de solution de NaOH à l’aide d’une micropipette.
Remarque : Le canal d’écoulement de surface et de membrane sont immergés dans la solution, où la surface de la membrane exposée à la solution est au moins 100 x plus grande que la section transversale du chenal d’écoulement. - Appliquer un potentiel électrique de 2.2 V en utilisant une source d’alimentation CC dans les directions vers l’avant et vers l’arrière pendant 2 h à partir de chaque série, pour améliorer la conductibilité de la membrane avant l’observation.
- Retirer les électrodes avec des pincettes. Supprimer la solution dans les réservoirs à l’aide d’une micropipette.
- Définir les nouvelles électrodes dans les réservoirs avec des pincettes. Remplir les réservoirs avec 4 mL de solution de NaOH à l’aide d’une micropipette. Commencer les observations lorsque la solution est équilibrée.
Remarque : Il peut prendre quelques minutes de temps d’attente jusqu'à ce que la convection naturelle s’installe, qui peut être jugée en observant le comportement des particules de traceur.
- Systèmes d’installation et de mesure expérimentales
- Définissez la cadence et la durée d’exposition d’une caméra haute vitesse complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) à 500 fps et 1 ms, respectivement.
Remarque : Comme indiqué dans la Figure 1, le dispositif expérimental est réglé sur la scène d’un microscope relié à une caméra CMOS à haute vitesse pour enregistrer les mouvements des particules. La vue est agrandie sur 15 dans le moniteur avec un objectif X 100. - Éliminez les bulles du canal en insérant la pointe d’une micropipette dans l’extrémité du canal à pousser ou tirer sur eux, avant d’appliquer un potentiel électrique.
- Extérieurement, appliquer un potentiel électrique de 2.2 V aux électrodes Au biais. En même temps surveiller les réponses électriques en utilisant un potentiostat ou une source de courant continu avec un multimètre numérique.
Remarque : La valeur de tension est déterminée à être la limite supérieure, évitant l’électrolyse de l’eau qui génère O2 et H2 bulles dans la solution. - Enregistrer le comportement des particules traceur sur l’ordinateur.
- Mesurer une différence de potentiel électrique entre les deux extrémités du chenal d’écoulement à l’aide d’électrodes sonde UA et un multimètre numérique pour confirmer que le gradient de concentration des ions déclenche un DHM débit38,39.
- Déterminer l’origine du repère cartésien au centre du chenal.
Remarque : Le x- axe va dans le sens longitudinal de la chaîne de flux et l' y- et z-axes sont dans les directions horizontales et verticales dans la section transversale de la manche, respectivement, comme illustré à la Figure 2. Le canal PDMS transparent permet un flux liquid à visualiser le long du x-axe. La vue est axée sur le plan xy à z = 0 en contrôlant la profondeur de champ. Les données de flux sont indépendantes de x dans la section d’essai sauf tout près de l’entrée et la sortie du canal, et le point d’observation est situé à environ 0,75 mm en aval de l’origine, tel que x = 0,75, y = 0 et z = 0 mm. - Après une mesure unique (15 s), les électrodes de court-circuit en les reliant les uns aux autres avec un plomb pendant 20 min jusqu'à ce que la solution est équilibrée.
- Ensuite, déplacer l’intégralité de la solution sur un autre navire (par exemple, un flacon de 10 mL) et remuez avec une micropipette.
- Versez la solution agitée dans la chambre avec une micropipette lors de l’exécution par itération l’expérience.
Remarque : Après l’observation, la vitesse d’écoulement DHM est évaluée en utilisant le particle image velocimetry (PIV) méthode39, qui peut être fait en utilisant le logiciel approprié pour suivre le déplacement des particules et évaluer numériquement la vitesse. Une explication détaillée des méthodes de la PIV et comment les utiliser est omise ici parce que les analyses PIV ont été largement utilisées et les procédures de calculs dépendent le logiciel et le système d’exploitation qui est utilisé.
- Définissez la cadence et la durée d’exposition d’une caméra haute vitesse complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) à 500 fps et 1 ms, respectivement.
2. observation des flux induite par le Cation DHM
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Développement du dispositif expérimental
- Former des électrodes biais UA avec une superficie de 26 x 10 mm2 sur la plaque de verre selon des procédures similaires à celles précédemment décrites aux étapes 1.1.5 - 1.1.7.
- À l’aide de pulvérisation de radiofréquence, enduire une surface de verre avec Cr ou Ti exposés au plasma Ar pendant 2 min à 75 W et déposer une couche mince de l’UA pendant 5 min à 75 w.
NOTE : Cette forme d’électrode est déterminée afin de concentrer fortement les champs électriques dans la région de canal plus étroite. Le rapport entre la surface de l’électrode, dont la zone de 10 x 10 mm2 est exposée à un liquide, en ce qui concerne la section du canal est idéalement 100 : 1 ; ce ratio devrait pour suffire au potentiel électrique à la chaîne par une grande quantité de16. - Souder une ligne de fil à bord des électrodes à l’aide d’un fer à souder.
- Partir d’une feuille de caoutchouc de silicone grand, découpe 2 chambres, chacune en un 1 x 1 x 1 voie de circulation de3 mm placé entre les réservoirs de3 deux 10 x 10 x 1 mm, à l’aide d’un bistouri (voir Figure 3). Ces pièces peuvent être remplacées par PDMS.
- Découper une membrane échangeuse de cations avec une épaisseur moyenne de 127 µm à 20 x 30 mm à l’aide d’un coupeur de boîte ou de bistouri, comme illustré à la Figure 3.
- Ultrasonicate chaque partie dans l’eau pure pendant 15 min en appliquant 100 W.
- Insérer une membrane échangeuse de cations entre les chambres à l’aide de pinces à épiler, comme illustré à la Figure 3. Cela va se séparer 2 solutions électrolytiques de différentes concentrations.
- Appuyez sur et sceller la pile de la chambres et la membrane échangeuse de cations avec des plaques de verre dont les dimensions sont de 26 mm de largeur et longueur de 38 mm.
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Préparation des solutions
- Préparer une dispersion de particules de polystyrène d’un diamètre moyen de 1,01 µm en un 1 x 10−2 mol/L tris (hydroxyméthyl) aminométhane éthylènediaminetétraacétique acide (Tris-EDTA) solution tampon, où le rapport entre le volume est réglé à 1 x 10−2 % en volume.
- Préparer un mélange de 1 mol/L de KCl et 1 x 10−2 mol/L de Tris-EDTA.
- Injecter la particule de Tris-EDTA/polystyrène et les solutions de Tris-EDTA/KCl dans les chambres supérieures et inférieures, respectivement, par les aiguilles de la seringue inséré des murs latéraux des chambres.
Remarque : La quantité des solutions injecté dans chaque chambre est environ 210 µL. - Attendez environ 18 h jusqu'à ce que la solution est équilibrée par suite d’une diffusion des ions pour se détendre à la différence de concentration ionique entre les couches supérieures et inférieures.
Remarque : Dans le processus de diffusion, K+ dans la solution supérieure et H+ dans la membrane sont censés pénétrer la membrane premier et Cl− devrait suivre.
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Systèmes d’installation et de mesure expérimentales
- Régler le dispositif expérimental mis au point à l’étape 2.1 sur la scène du microscope inversé à la main, comme illustré à la Figure 3. Connecter le microscope à une caméra CMOS à haute vitesse pour surveiller les trajectoires des mouvements particule et enregistrer les données d’observation sur un ordinateur.
- Appliquer une différence de potentiel électrique de 2 V pour 6 s entre les deux électrodes en utilisant un générateur de fonctions comme une source d’alimentation.
- Pour confirmer que DHM courants sont induits par transport ionique, mesurer les courants ioniques simultanément à l’aide d’un ampèremètre40.
- Analyser les trajectoires enregistrées des particules par la particule tracking velocimetry (PTV) méthode39.
Remarque : Après les observations, la vitesse d’écoulement DHM est évaluée par la méthode de PTV, qui n’est possible en utilisant des logiciels appropriés, pour suivre le déplacement des particules et évaluer numériquement la vitesse. Une explication détaillée des méthodes de PTV et comment les utiliser est omise ici parce que les analyses de PTV ont été largement utilisées et les procédures de calculs dépendent le logiciel et le système d’exploitation qui est utilisé.
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Representative Results
Figure 4 (vidéo figure) présente un résultat représentatif d’une génération de flux DHM, résultant de la rectification des voies de transport des ions et des cations hautement concentrées qui induit un écoulement du liquide dans le canal, selon l’étape 1 du protocole. La figure 5 montre un résultat de l’analyse PIV, où les 20 données points près du centre du chenal (y = z = 0 mm) a fait la moyenne. Dans le cas de la−1 1 x 10 mol/L NaOH solution, quand un potentiel électrique de 2.2 V a été appliquée à t = 5 s, la vitesse des particules traceur a augmenté rapidement à une valeur de crête. Après cela, la vitesse a diminué et converge vers 0. La vitesse de pointe atteint un quasi 2 mm/s. Il s’agit d’un résultat typique d’un écoulement DHM généré à l’aide d’une membrane échangeuse d’anions et une solution de NaOH 1 x 10−1 mol/L.
Il a également été confirmé que la vitesse de transport électrophorétique des particules de traceur a été beaucoup plus faible que la vitesse de pointe de l’écoulement du liquide dans la solution de NaOH38,391 x 10−1 mol/L. Tel que discuté dans la littérature39, ce genre d’écoulement DHM est considéré comme se composent de flux inversés traînés par OH− traversant la membrane et la Na+ et le H+ concentrées dans le chenal d’écoulement pour compenser l’anion transport dans la membrane. À mesure que la concentration diminue, le comportement de transport avaient tendance à devenir plus lent. Cela signifie que la durée-jusqu'à ce que la vitesse atteint une apogée- et le temps de décroissance semble être plus longue, en diminuant la valeur de crête de la vitesse. Ce résultat indique que le nombre d’ions dont le mouvement a été conduit par des forces électriques ont diminué, et par conséquent, la force de corps électrique dans le liquide a également été réduite.
Une observation importante est que les courants ioniques continus rectifiés par les interfaces sélective d’ions causé des molécules de solvant à faire glisser dans un sens et cela a provoqué un écoulement du liquide à développer. Dans ce cas, il est possible que l’écoulement du liquide a été renforcée par la polarisation de concentration d’ions traversant la membrane échangeuse d’anions qui a déclenché le flux inversé dans le chenal. Ce point a été déjà mentionné dans une précédente étude39. Il a été supposé que AC champs étaient aussi efficaces pour contrôler le flux de liquides régulièrement changer de direction. Débit actuel EHD se limitait à des réponses transitoires en raison du nombre fini des ions Na+ ; Cette situation n’était pas propice au maintien d’un courant cationique constant, même si la tension appliquée de 2.2 V a été suffisante pour induire l’électrolyse de l’eau. Pour générer un flux constants de DHM, nous vous proposons en faisant glisser des molécules de solvant avec les espèces ioniques qui sont du transporteur dominant du courant ionique. Des précisions seront vérifiées dans nos travaux futurs. Ici, nous avons introduit un résultat représentatif d’un écoulement DHM qui puisse être induit dans les solutions de NaOH par rectification des voies de transport des ions. Informations sur la dépendance de la concentration et les différences de potentiel électrique sont aussi examinées par Yano, Doi et Kawano37,38 et Yano, Shirai, Imoto, Doi et Kawano39.
Figure 6 (vidéo figure) montre un résultat représentatif du flux DHM généré dans une solution électriquement polarisée dans les conditions actuelles ioniques. La réponse de la vélocité du flux DHM a été également analysée grâce au suivi des particules de traceur, comme illustré à la Figure 7, qui était un résultat typique obtenu grâce au suivi d’une seule particule près du centre du chenal d’écoulement. Quand il a été appliqué un potentiel électrique de 2 V t = 2 à 8 s, particules de polystyrène a répondu au champ électrique appliqué. À t = 2 s, la particule transloqué rapidement dans la direction ascendante, correspondant au transport électrophorétique des charges négatives. Après une réponse de courte durée, le flux changé en marche avant et la vitesse est devenue stable à 30 µm/s jusqu'à ce que le potentiel électrique a été désactivé.
Au cours de cette période, les particules chargées négativement en polystyrène déplacé dans la direction du transport de charges positives. En général, la direction ne pourrait être annulée spontanément sous le champ électrique unidirectionnel, même si la charge de surface des particules était entièrement protégée par les cations du compteur. Ainsi, ce résultat indique que les cations dispersées dans la solution ont été également par électrophorèse transportées le long les champs électriques, déplacement des molécules de solvant qui peu à peu développé un écoulement du liquide. Charges négatives très concentrent sur la surface de particules due à une plus forte que celle de force électrique cations distribuées dans la solution et, ainsi, tout d’abord conduit le transport dans le sens négatif. Après cela, un écoulement du liquide déplacé par le courant cationique a augmenté à une force de traînée sur la particule. Dans ce régime, gradients de vitesse ont été réellement observées le long de y-axe perpendiculaire à la direction de l’écoulement et, ainsi, une génération d’écoulement du liquide a été effectivement confirmé.
Le comportement des particules de polystyrène affectés par les flux DHM a également été évalué dans une étude antérieure, et il a été constaté que la vitesse de l’écoulement DHM proportionnellement augmenté avec un courant ionique croissant. Un délai d’attente de plus de 18 h avant d’appliquer un champ électrique extérieur est le facteur le plus important pour induire un flux constant de DHM, parce qu’il faut si longtemps pour les distributions d’ion à être équilibrés car ils sont presque uniformes dans le chenal. En conséquence, écoulement de Poiseuille-type sont régulièrement observés. En revanche, nous avons pu confirmer pas un flux constant lorsque le temps d’attente n’était pas suffisant pour atteindre les distributions uniformes ion.
Après avoir observé une vitesse constante, le potentiel électrique a été éteint à t = 8 s. Ici, pour changer rapidement la différence de potentiel électrique de 2 à 0 V, les électrodes blindés peuvent exiger une application excessive du potentiel électrique de faire les deux surfaces d’électrode équivalent. Dans ce processus, les ions hautement concentrées près de la surface de l’électrode reçoivent des forces électriques répulsives, qui se traduisent par inverse les courants ioniques. En particulier, le courant cationique qui dominait dans les basses couches provoqué un écoulement du liquide doit être généré et une réponse transitoire vers l’arrière a été effectivement observée dans le résultat expérimental, qui est immédiatement apparu lorsque le potentiel électrique a été éteint et converge vers 0 µm/s. Ces processus dans la génération de flux DHM étaient typiques dans cette expérience. À côté de la fluidité de l’EHD, le flux inverse observé quand vous allumez le potentiel électrique et arrêt est également intéressants. Dans les réponses transitoires, des réactions électrochimiques à la surface de l’électrode éventuellement déclencher des gradients de concentration ionique drastique qui induisent la diffusion potentielle mais aussi appliqué extérieurement des potentiels électriques. Ce transport d’ions complexes phénomènes n’ont pas encore été clarifiée assez et, par conséquent, sont sujets à être résolus à l’avenir travailler.
Les mécanismes de la génération de flux EHD sont présentent schématiquement à la Figure 8. Un flux DHM induit dans les solutions de NaOH est illustré à la Figure 8a, correspondant au cas de la Figure 4. Le flux de DHM traîné par Na+ dans le canal est déclenché par le transport de OH− dans une membrane échangeuse d’anions. L’écoulement non permanent est causée par la dissipation due à l’amortissement des flux en masse, élan flux atténuant, surface mobilité et électromouillage de la surface de l’électrode. Un autre mécanisme d’écoulement DHM induite dans les conditions actuelles cationiques, qui sont plus dominantes que les anioniques, est représenté dans la Figure 8b. K+ ions pénètrent tout d’abord une membrane échangeuse de cations, provoquant des maladies dominantes cation, et, par conséquent, flux DHM est induite le long du courant cationique.
Comme décrit ci-dessus, maintenir des conditions électriquement polarisées dans les conditions actuelles ioniques en réduisant la demande des potentiels électriques est essentiel pour générant constants flux DHM. En utilisant les méthodes actuelles, quelques volts peuvent être suffisantes pour induire l’EHD coule dans des solutions aqueuses, bien que l’électrolyse de l’eau est nécessaire pour maintenir constantes courants ioniques pour améliorer le transfert de quantité de mouvement des ions de l’électrolyte de molécules de solvant.
Figure 1 : Photographie du montage expérimental pour l’observation des flux DHM. Mouvements des particules de traceur sont suivis par un microscope relié à une caméra haute vitesse, enregistrement des trajectoires dans le contrôleur. Potentiels électriques sont appliqués à l’aide d’un potentiostat ou une source d’énergie électrique DC. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Illustration schématique d’un dispositif expérimental. Un canal d’écoulement de PDMS est fixé dans une membrane échangeuse d’anions et rempli d’une solution aqueuse de NaOH. Au électrodes sont placées aux deux extrémités de la solution. L’origine de la coordonnée est définie au centre du chenal d’écoulement carrée et une aire d’observation dans un plan xy près x = 0,75 et z = 0 mm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Photographie du montage expérimental et le schéma d’un dispositif pour induire un écoulement DHM cation-traîné dans une solution électriquement polarisée. Un 1 mol/L de KCl et 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA tampon solution et une 1 x 10−2 vol % polystyrène (PSt) dispersion de particules dans un 1 x 10−2 mol/L Tris-solution tampon EDTA sont séparés par une membrane échangeuse de cations, où le diamètre moyen de les particules PSt est 1.01 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 (vidéo figure) : un film de flux DHM pilotée par le transport des ions Na+ concentrées dans le chenal d’écoulement. Les particules de traceur sont transportés le long de la direction du champ électrique lorsqu’un potentiel électrique de 2.2 V est appliqué à t = 5 s. polystyrène chargés négativement des particules sont présentées du côté de la cathode dans un flux d’EHD entraîné par le courant cationique dans le canal. Dans le cas d’un 1 x 10−1 mol/L solution de NaOH, une vitesse de pointe près de 2 mm/s est atteint rapidement après que appliquant un potentiel électrique et la vitesse successivement se désintègre à zéro. S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)
Figure 5 : La réponse du débit DHM observée dans le chenal d’écoulement, résultant de l’analyse PIV pour le film enregistré de La figure 4. La réponse de vitesse (ligne bleue) a été obtenue par la moyenne des 20 points près du centre du chenal (y = z = 0 mm). La vitesse augmente rapidement après l’application d’une tension électrique de 2.2 V à 5 s et converge progressivement de 0 mm/s. La séquence de la tension appliquée est également illustrée par une ligne en pointillés rouge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 (vidéo figure) : un film de flux DHM observés dans une solution électriquement polarisée, séparant une 1 mol/L KCl solution polystyrène une dispersion et à l’aide d’une membrane échangeuse de cations. Appliquant un potentiel électrique de 2 V t = 2 à 8 s, le transport des particules de traceur reflète un flux DHM entraîné par un courant cationique. Une vitesse d’écoulement constante atteint 30 µm/s lors de l’application du potentiel. En outre, les particules de répondent aussi brièvement dans la direction négative lorsque le potentiel électrique est activé ou désactivée, parce que la charge électrique d’une particule affecte d’abord la requête. S’il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)
Figure 7 : La réponse de flux DHM observée dans le chenal, résultant de l’analyse de PTV pour le film enregistré de la Figure 6. La réponse de vitesse (ligne bleue) a été obtenue grâce au suivi d’une seule particule près du centre du chenal. La séquence de la tension appliquée est également illustrée par une ligne en pointillés rouge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Schémas de DHM coulent des mécanismes de génération correspondant aux Figures 4 et 5 (groupe a) et 6 et 7 (groupe b). (a) flux liquide sont induits dans une solution aqueuse de NaOH qui est séparée par une membrane échangeuse d’anions, où EOF induite par un transport− OH dans la membrane déclenche un flux tiré par un transport de Na+ dans le canal et est en partie dissipée avec amortissement des flux en masse, élan flux atténuant, surface mobilité et électromouillage de la surface de l’électrode. (b) la cationique actuelle est plus dominant que le courant anionique parce que K+ pénètre tout d’abord une membrane échangeuse de cations, qui contribue à un écoulement de liquide traîné par des cations dans les conditions actuelles constantes portant sur l’eau électrolyse. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Le but de cette étude était de séparer les cations et les anions dans des solutions aqueuses en ce qui concerne les distributions spatiales et les nombres de transport. À l’aide d’une membrane échangeuse d’anions, le transport des anions et des cations pourrait être corrigé dans la membrane et dans un canal d’écoulement qui pénètre la membrane, respectivement. Par ailleurs, une membrane échangeuse de cations qui séparait haute et basse des solutions de concentration a travaillé pour générer des solutions électriquement polarisées après un temps d’attente considérable. Ainsi, les courants ioniques rectifiés réussi à réduire les voltages appliqués pour induire l’ion-traîné DHM flux.
Les méthodes présentées ici sont disponibles pour les solutions aqueuses avec des tensions de la demande faible en comparaison avec les méthodes classiques qui nécessitent des tensions extrêmement élevées de dizaines de kV à injecter des charges électriques dans des solutions non polaires. Il a été précisé que les mouvements de l’EHD sont efficaces dans des solutions aqueuses ainsi que des solutions non polaires.
Cependant, les méthodes actuelles dépendent de l’électrolyse de l’eau pour maintenir les courants ioniques dans lequel le potentiel idéal d’électrolyse de l’eau est connu pour être 1,23 V. Ainsi, il y a une limitation sur la tension appliquée à ne pas produire d’O2 et bulles de2 H qui modifient les propriétés d’un liquide. Pour contourner cette limitation, matériaux des électrodes et des solutions d’électrolytes doivent être convenablement déterminés pour définir les réactions électrochimiques à la surface de l’électrode pour générer des courants ioniques dans les solutions. À chaque essai, la surface de l’électrode doit être polie et bared pour faire un fort champ électrique dans la solution, en renforçant les réactions électrochimiques.
Dans cette étude, l’utilisation de membranes échangeuses d’ions a été proposée de rectifier les voies de propagation d’espèces ioniques. En revanche, l’efficacité de la génération de flux DHM semblait dépendre de la capacité des membranes. Tel que mentionné dans le protocole, la diffusion des ions prend beaucoup de temps d’attente jusqu'à ce qu’il devienne stable. Le prétraiter pour augmenter la conductivité des membranes est donc essentielle à l’amélioration de l’efficacité de la génération de flux DHM. Lors du maintien des conditions actuelles ioniques en application externe les champs électriques, les propriétés de transport des ions sont améliorées, et électriquement polarisées conditions soient effectivement atteints.
À l’avenir, flux DHM de solutions aqueuses sont censés s’appliquer aux systèmes de contrôle de débit des liquides dans des dispositifs micro - et nanofluidiques, combinées avec les expressions du folklore et autres. En outre, les demandes de dispositifs médicaux, dont ion transport joue un rôle important pour stimuler les cellules biologiques et transduction du signal, sont également difficiles.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs n’ont aucuns accusés de réception.
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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