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Engineering

उत्पादन और जलीय इलेक्ट्रोलाइट समाधान में Electrohydrodynamic प्रवाह का नियंत्रण

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

आयन परिवहन मार्ग के सुधार एक-दिशात्मक आयन-घसीटा electrohydrodynamic प्रवाह उत्पन्न करने के लिए एक प्रभावी तरीका है । एक प्रवाह चैनल में एक आयन-विनिमय झिल्ली की स्थापना करके, एक विद्युत ध्रुवीय स्थिति उत्पन्न होती है और एक तरल प्रवाह का कारण बनता है जब एक बिजली के क्षेत्र में लागू किया जाता है ।

Abstract

electrohydrodynamic ड्राइव करने के लिए (EHD) जलीय समाधान में बहती है, कटियन और आयनों परिवहन रास्ते के पृथक्करण आवश्यक है, क्योंकि एक निर्देशित बिजली शरीर के बल को तरल में ईओण गति द्वारा प्रेरित किया जाना है । दूसरी ओर, सकारात्मक और नकारात्मक प्रभार एक दूसरे को आकर्षित, और electroneutrality संतुलन की स्थिति में हर जगह बनाए रखा है । इसके अलावा, एक लागू वोल्टेज में वृद्धि के लिए पानी इलेक्ट्रोलिसिस से बचने के लिए दबा दिया है, जो समाधान के कारण अस्थिर हो गया है । आमतौर पर, EHD प्रवाह गैर-जलीय समाधान में अत्यंत उच्च वोल्टेज लागू करने से प्रेरित किया जा सकता है, जैसे दसियों केवी के रूप में, विद्युत शुल्क इंजेक्षन करने के लिए. इस अध्ययन में, दो तरीकों जलीय समाधान, जहां दो तरल चरणों एक आयन-विनिमय झिल्ली द्वारा अलग कर रहे है में विद्युत प्रभारी जुदाई द्वारा प्रेरित EHD प्रवाह उत्पंन करने के लिए शुरू कर रहे हैं । झिल्ली में ईओण गतिशीलता में एक अंतर के कारण, आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण झिल्ली के दोनों पक्षों के बीच प्रेरित है । इस अध्ययन में, हम दो तरीकों का प्रदर्शन । (i) आयन एकाग्रता ढाल की छूट एक प्रवाह चैनल है कि एक आयन-विनिमय झिल्ली, जहां झिल्ली में धीमी प्रजातियों के परिवहन चुनिंदा प्रवाह चैनल में प्रमुख हो जाता है प्रवेश के माध्यम से होता है । यह तरल में एक EHD प्रवाह उत्पन्न करने के लिए एक ड्राइविंग बल है । (ii) आयन-विनिमय झिल्ली के माध्यम से गुजर आयनों के प्रसार के लिए एक लंबी प्रतीक्षा समय बाहरी रूप से एक बिजली क्षेत्र लगाने के द्वारा एक आयन खींचा प्रवाह की पीढ़ी में सक्षम बनाता है. आयनों एक प्रवाह चैनल में केंद्रित एक 1 x 1 मिमी2 पार-अनुभाग तरल प्रवाह की दिशा निर्धारित, electrophoretic परिवहन रास्ते के लिए इसी. दोनों तरीकों में, बिजली वोल्टेज अंतर एक EHD प्रवाह पीढ़ी के लिए आवश्यक काफी आयन परिवहन रास्ते को सुधारने के द्वारा के पास 2 वी के लिए कम है ।

Introduction

हाल ही में, तरल प्रवाह नियंत्रण तकनीक क्योंकि सूक्ष्म और nanofluidic उपकरणों के अनुप्रयोगों में ब्याज की ज्यादा ध्यान आकर्षित किया है1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. ऐसे जलीय समाधान और ईओण तरल पदार्थ, आयनों और विद्युत चार्ज कणों के रूप में ध्रुवीय समाधान में, आमतौर पर तरल प्रवाह में बिजली के आरोपों के बारे में लाने के लिए । इस तरह के ध्रुवीय कणों का परिवहन एकल अणु हेरफेर6,10,11,13,14 के रूप में विभिन्न अनुप्रयोगों, के एक विस्तार प्रदान करता है , 15 , 16 , 17, आयन डायोड उपकरणों12,18, और तरल प्रवाह नियंत्रण19,20,21,22. EHD प्रवाह1Stuetzer के बाद से तरल प्रवाह नियंत्रण प्रणालियों के लिए एक लागू घटना गया है,2 आयन खींचें पंप का आविष्कार किया । Melcher और टेलर३ ने एक महत्वपूर्ण लेख प्रकाशित किया जिसमें EHD प्रवाह की सैद्धांतिक रूपरेखा की अच्छी तरह समीक्षा की गई और कुछ उत्कृष्ट प्रयोगों का प्रदर्शन भी किया गया. सेविल4 और उनके सहकर्मियों23,24 तरल पदार्थ में EHD प्रौद्योगिकियों के निंनलिखित विस्तार करने के लिए योगदान दिया । हालांकि, तरल विद्युत बलों द्वारा संचालित बहती है, क्योंकि केवी के दसियों तरल पदार्थ में लागू करने के लिए गैर में विद्युत शुल्क-ध्रुवीय समाधान, जैसे तेलों के रूप में इंजेक्ट करने के लिए किया जा करने के लिए कुछ सीमाएं थीं, उंहें ध्रुवीकरण के लिए1,2 , 3. यह जलीय समाधान के लिए एक नुकसान है क्योंकि पानी इलेक्ट्रोलिसिस कि एक बिजली की क्षमता से अधिक १.२३ V परिवर्तन समाधान की विशेषताओं से प्रेरित है और समाधान अस्थिर बनाता है ।

माइक्रो और nanofluidic चैनलों में, चैनल दीवारों के सतह प्रभार काउंटर की एकाग्रता है कि प्रभावी ढंग से प्रेरित electroosmotic प्रवाह (EOFs) के तहत बाहरी लागू बिजली के खेतों में25,26,27 ,२८,२९. EOFs का प्रयोग, कुछ तरल पंप तकनीक जलीय समाधान में लागू किया गया है, बिजली वोल्टेज30,31,३२को कम करने । दूसरी ओर, EOFs सूक्ष्म और nanospaces में उत्पंन किया जा रहा है जो सतह क्षेत्रों में तरल मात्रा से अधिक प्रभावी हो जाने तक सीमित हैं । इसके अलावा, बहुत दीवार सतहों के पास अत्यधिक केंद्रित आयनों के परिवहन पर निर्भर करता है, इस तरह के रूप में बिजली की डबल परतों में, पर्ची सीमा केवल तरल प्रवाह है, जो दबाव ढाल बनाने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है कारण7, 8 , 22 , 26 , 27. ठीक ट्यूनिंग, ऐसे चैनल आयामों और नमक सांद्रता के रूप में, EOF के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है । इसके विपरीत, EHD शरीर बलों द्वारा संचालित प्रवाह को जनता और ऊर्जा के परिवहन के लिए उपलब्ध होने लगते है अगर आवेदन वोल्टेज अपमानजनक सॉल्वैंट्स से बचने के लिए कम किया जा सकता है । हाल ही में, कुछ शोधकर्ताओं ने कम वोल्टेज के साथ EHD प्रवाह के अनुप्रयोगों का सुझाव दिया है३३,३४,३५,३६. हालांकि इन तकनीकों पर अभी तक अमल नहीं हुआ है, लेकिन सरहद का विस्तार होने की उम्मीद है ।

पिछले अध्ययनों में, हम भी जलीय समाधान३७,३८,३९,४०में EHD प्रवाह पर प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक काम का आयोजन किया । यह माना जाता था कि आयन परिवहन मार्ग के सुधार विद्युत चार्ज समाधान है कि बिजली के क्षेत्रों के तहत बिजली के शरीर बलों के कारण उत्पंन करने के लिए प्रभावी था । एक आयन-विनिमय झिल्ली और एक प्रवाह झिल्ली पार चैनल का उपयोग करके, हम ईओण धाराओं को सुधारने में सक्षम थे । जब एक आयनों-विनिमय झिल्ली लागू करने, cations प्रवाह चैनल में केंद्रित सॉल्वैंट्स घसीटा और एक EHD प्रवाह३७,३८,३९विकसित की है । आयन प्रजातियों की गतिशीलता में एक अंतर cationic और anionic धाराओं को अलग करते समय एक महत्वपूर्ण कारक था. आयन-विनिमय झिल्ली प्रभावी ढंग से आयन selectivity के कारण गतिशीलता मिलाना काम किया । आयन परिवहन घटनाएं भी ईओण वर्तमान लागू बिजली के खेतों४१से प्रभावित घनत्व के दृष्टिकोण से जांच की गई । ये अध्ययन एकल अणुओं, अर्थात्, सूक्ष्म और नैनोकणों, जिनकी गति दृढ़ता से थर्मल उतार चढ़ाव से प्रभावित कर रहे है के लिए हेरफेर तकनीक विकसित करने के लिए उपयोगी किया गया है11,16,17 . EOFs और EHD प्रवाह सटीक प्रवाह नियंत्रण विधियों के साथ ही दबाव ढाल की विविधता का विस्तार करने की उम्मीद कर रहे हैं ।

इस अध्ययन में, हम दो तरीकों का प्रदर्शन जलीय समाधान में EHD प्रवाह ड्राइव । सबसे पहले, एक NaOH समाधान एक काम तरल पदार्थ के लिए एक EHD प्रवाह३७,३८,३९ड्राइव करने के लिए प्रयोग किया जाता है । एक आयनों-विनिमय झिल्ली तरल को दो भागों में अलग करती है । एक polydimethylsiloxane (PDMS) प्रवाह चैनल 1 x 1 मिमी के पार अनुभाग और 3 मिमी की लंबाई के साथ झिल्ली में प्रवेश । २.२ वी के एक बिजली की क्षमता लागू करके, एनए+, एच+, और ओह− आयनों के electrophoretic परिवहन बिजली के क्षेत्रों के साथ प्रेरित किया है । एक आयनों-विनिमय झिल्ली और एक प्रवाह चैनल प्रभावी ढंग से आयन परिवहन रास्ते, जहां ॠणायन मुख्य रूप से झिल्ली और cations प्रवाह चैनल में ध्यान केंद्रित के माध्यम से पारित अलग करने के लिए काम करते हैं, हालांकि दोनों प्रजातियों आमतौर पर विपरीत दिशाओं में चलते हैं, electroneutrality को बनाए रखना । इस प्रकार, एक ऐसी हालत तरल प्रवाह के लिए एक प्रेरणा शक्ति का कारण नहीं है । इस संरचना में एक EHD प्रवाह जिसका प्रवाह गति 1 मिमी के आदेश पर पहुंचता है उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण है/एस चैनल में क्योंकि उच्च केंद्रित cations बाहरी बिजली के खेतों द्वारा त्वरित विलायक अणुओं खींचें । EHD प्रवाह मनाया और एक खुर्दबीन और एक उच्च गति कैमरा का उपयोग करके दर्ज कर रहे है के रूप में चित्र 1में दिखाया गया है । दूसरा, दो तरल एक आयन से अलग चरणों के बीच एक एकाग्रता अंतर-विनिमय झिल्ली एक विद्युत ध्रुवीकरण के लिए एक आयन-विनिमय झिल्ली४०पार उत्पंन होने की स्थिति का कारण बनता है । इस अध्ययन में, हम equilibrate आयन वितरण और एक इसी बिजली की क्षमता है, जो बेहतर स्थिति के कारण एक तरल में एक शरीर के बल पर लागू करने के लिए एक काफी प्रतीक्षा समय के महत्व को खोजने के लिए । आयन-विनिमय झिल्ली को पार करना, एक कमजोर ध्रुवीकरण की स्थिति हासिल की है । ऐसी हालत में, एक बाहरी लागू बिजली के क्षेत्र दिशात्मक आयन परिवहन कि एक तरल में एक शरीर के बल उत्पंन करता है, और एक परिणाम के रूप में, विलायक से गति हस्तांतरण के रूप में एक EHD प्रवाह विकसित लाती है ।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया है, वर्तमान उपकरणों काफी कुछ वोल्ट के लिए लागू वोल्टेज अंतर को कम करने में सफल है, और इस प्रकार इस विधि जलीय समाधान के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि पारंपरिक बिजली के आरोप इंजेक्शन तरीकों केवी के दसियों की आवश्यकता है और गैर जलीय समाधान के लिए एक आवेदन करने के लिए सीमित हैं ।

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Protocol

1. EHD सुधारा आयन परिवहन द्वारा प्रेरित प्रवाह

  1. आयन परिवहन मार्ग को सुधारने के लिए एक प्रवाह चैनल डिवाइस का विकास
    1. जलाशय के एक PTFE मोल्ड बनाओ:
      1. एक मिलिंग मशीन का उपयोग कर एक polytetrafluoroethylene (PTFE) ब्लॉक से एक 13 x 30 x 10 मिमी3 मोल्ड कट ( चित्रा 2देखें) । वैकल्पिक रूप से, एक कस्टम निर्मित उत्पाद खरीद ।
      2. एक प्लास्टिक चिपकने वाला है, जो जलाशय में slits पूर्वाग्रह इलेक्ट्रोड बसने के लिए कर देगा के साथ PTFE मोल्ड के दोनों सिरों पर 15 x 18 x 1 मिमी3 के एक्रिलिक प्लेट्स का पालन करें । इन भागों में एक बड़ी प्लेट से काटा या खरीदा जा सकता है ।
      3. एक प्लास्टिक चिपकने वाला स्पष्ट अवलोकन के लिए planar सतहों बनाने के साथ PTFE मोल्ड के ऊपर और नीचे सतहों पर 13 x 30 x 1 मिमी3 के एक्रिलिक प्लेट्स का पालन करें ।
    2. एक ५० मिलीलीटर ट्यूब में 10:1 के अनुपात में एक सिलिकॉन elastomer आधार और इलाज एजेंट मिश्रण और हाथ से ट्यूब हिला ।
    3. एक निर्वात पोत में तरल PDMS बसा और यह एक रोटरी पंप का उपयोग करके degas ।
    4. पोत से ट्यूब निकालें । एक ४० x ५० x 24 मिमी3 प्लास्टिक पोत में PDMS डालो जलाशय के बाहरी आकार मोल्ड और जगह जलाशय मोल्ड (1.1.1 कदम देखें) में यह ।
    5. लगभग 4 एच के लिए ८० ° c पर एक चूल्हा पर तरल PDMS के पूरे शरीर को सेंकना ।
    6. सेंकना के बाद, PTFE मोल्ड और हाथ से बाहरी पोत से PDMS जलाशय अलग । एक शल्य चाकू का उपयोग करके जलाशय के केंद्र भर में एक भट्ठा बनाओ । यह चिमटी का उपयोग कर में एक आयनों-विनिमय झिल्ली (चरण 1.1.16 में तैयार) के किनारों डाल करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा ।
      नोट: PDMS जलाशय इलेक्ट्रोलाइट समाधान के साथ बाद में भरा है, के रूप में चित्रा 2में दिखाया गया है ।
    7. ग्लास प्लेटें (विशेष आदेश द्वारा बनाई गई) 18 मिमी किनारों के साथ या एक वर्ग में व्यास में १८ मिमी का एक परिपत्र आकार के साथ प्राप्त करें ।
    8. उंहें एसीटोन, इथेनॉल, और शुद्ध पानी में भिगोने के द्वारा ग्लास प्लेटों धो (उस क्रम में) एक अल्ट्रासोनिक स्नान में 15 मिनट के लिए प्रत्येक ।
    9. किसी भी अवशिष्ट तरल पदार्थ एक एयर गन के साथ दूर उड़ा या के बारे में ४७३ K पर 5 मिनट के लिए एक चूल्हा के साथ ग्लास प्लेटों गर्मी ।
    10. रेडियो फ्रीक्वेंसी sputtering, कोट का उपयोग कर सीआर या तिवारी के साथ कांच की सतह ७५ डब्ल्यू और क्रमिक पर 1 मिनट के लिए Ar प्लाज्मा को उजागर, ७५ डब्ल्यू में 5 मिनट के लिए एक Au पतली फिल्म जमा, लगभग १०० एनएम पर मोटाई की स्थापना ।
      नोट: कोटिंग लक्ष्य धातुओं के साथ कांच की सतह से पहले, नमूने एक वैक्यूम कक्ष है कि एक रोटरी पंप और एक आणविक प्रसार पंप के साथ दबाव जब तक खाली किया गया था में स्थापित किया गया था 1 x 10− 2 Pa.
    11. मिलाप एक टांका लोहे का उपयोग कर Au इलेक्ट्रोड सतह पर एक का नेतृत्व ।
      नोट: Au इलेक्ट्रोड के आकार संभवतः चौकों और पेचदार तारों से प्रतिस्थापित किया जा सकता है, सतह के लिए पर्याप्त ईओण धाराओं उत्पंन क्षेत्रों को बनाए रखने ।
    12. चिमटी के साथ, गिलास जलाशय के दोनों सिरों पर एक Au पतली फिल्म के साथ लेपित प्लेटें सेट । ये पूर्वाग्रह इलेक्ट्रोड हैं ।
    13. कैंची का उपयोग करके 20 x 18 मिमी2 की एक आयताकार आकार में एक आयनों-विनिमय झिल्ली में कटौती । चौड़ाई में 13 मिमी की एक सतह क्षेत्र और ऊंचाई में 10 मिमी एक तरल के संपर्क में है । यहां, एक बॉक्स कटर या सर्जिकल चाकू भी झिल्ली को काटने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
    14. कैंची के साथ झिल्ली के एक किनारे से 3 x ५.५ mm2 का एक आयताकार टुकड़ा काट ।
      नोट: आयनों की मोटाई-विनिमय झिल्ली २२० µm है । झिल्ली आसानी से कैंची या एक बॉक्स कटर के साथ काट रहा है । झिल्ली के किनारों को आंशिक रूप से चैंबर में slits के साथ तय कर रहे हैं ।
    15. एक PDMS ब्लॉक जमना एक 1 एक्स 1 मिमी2 पार-खंड के रूप में एक ही रास्ते में कदम 1.1.4-1.1.5 के रूप में, एक प्रवाह चैनल है कि झिल्ली में प्रवेश बनाने के लिए । निर्माण रात भर छोड़ दो और फिर PDMS ब्लॉक से बाहर स्टेनलेस रॉड खींचो ।
    16. एक 3 x 6 x ४.५ mm टुकड़ा में एक वर्ग प्रवाह चैनल के साथ PDMS ब्लॉक कट ( चित्रा 2देखें) एक शल्य चाकू का उपयोग कर । बाहरी किनारों के साथ slits बनाओ, तो यह आयताकार कटआउट के भीतर झिल्ली को देते हैं ।
      नोट: चैनल के शीर्ष चेहरा पारदर्शी दीवार के माध्यम से प्रवाह चैनल में कणों की एक स्पष्ट अवलोकन के लिए क्षैतिज रूप से स्थापित किया जाना है ।
  2. प्रयोगों के लिए समाधान और उपचार की तैयारी
    1. 1 x 10− 1, 1 x 10− 2, और स्टॉक सॉल्यूशन को कमजोर करके 1 x 10− 3 मॉल/L की सांद्रता पर NaOH जलीय समाधान तैयार करें ।
    2. ४.२ x 10− 3 vol% के लिए एकाग्रता की स्थापना करके चरण 1.2.1 में तैयार किए गए NaOH समाधानों में से प्रत्येक में व्यास में औसतन २.९३ µm के polystyrene कणों का फैलाव करें ।
      नोट: अनुरेखक कणों के आकार उचित रूप से चौकसी में सुधार करने के लिए बदला जा सकता है.
    3. Ultrasonicate स्वरूपित आयनों-विनिमय झिल्ली के 20 x 18 mm2 के एक भट्ठा के साथ 3 x ५.५ mm2 2x शुद्ध पानी में 10 मिनट के लिए १०० W की एक शक्ति पर
    4. चिमटी के साथ, PDMS जलाशय में PDMS प्रवाह चैनल के साथ आयनों-विनिमय झिल्ली सेट । एक micropipette का उपयोग कर NaOH समाधान के 4 मिलीलीटर के साथ जलाशय भरें ।
      नोट: झिल्ली सतह और प्रवाह चैनल समाधान है, जहां झिल्ली की सतह के समाधान के लिए उजागर में डूब रहे हैं, प्रवाह चैनल के पार से बड़े से कम 100x बड़ा है ।
    5. २.२ वी के एक बिजली की क्षमता को आगे और पीछे की दिशा में 2 एच प्रत्येक श्रृंखला में एक डीसी शक्ति स्रोत का उपयोग करके लागू, अवलोकन से पहले झिल्ली की चालकता में सुधार होगा ।
    6. Au इलेक्ट्रोड चिमटी के साथ बाहर खींचो । एक micropipette का उपयोग कर जलाशयों से समाधान निकालें ।
    7. चिमटी के साथ जलाशयों में नए Au इलेक्ट्रोड सेट करें । एक micropipette का उपयोग कर NaOH समाधान के 4 मिलीलीटर के साथ जलाशयों भरें । जब समाधान equilibrated है, तो अवलोकन प्रारंभ करें ।
      नोट: यह प्राकृतिक संवहन नीचे बैठती है, जो अनुरेखक कणों के व्यवहार को देख कर ंयाय किया जा सकता है जब तक कि समय के इंतजार के कुछ मिनट लग सकते हैं ।
  3. प्रायोगिक सेटअप और मापन प्रणाली
    1. फ्रेम दर और एक उच्च गति पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) कैमरा ५०० एफपीएस और 1 एमएस, क्रमशः के जोखिम समय निर्धारित करें ।
      नोट: जैसा चित्र 1में दिखाया गया है, प्रयोगात्मक डिवाइस कण गति रिकॉर्ड करने के लिए एक उच्च गति CMOS कैमरे से जुड़ा एक खुर्दबीन के मंच पर सेट किया गया है । दृश्य एक 100X लेंस के साथ निगरानी में एक 15 में बढ़ाया है ।
    2. चैनल अंत में एक micropipette की नोक डालने के लिए धक्का या उंहें बाहर खींच द्वारा चैनल से किसी भी बुलबुले निकालें, एक बिजली की क्षमता लागू करने से पहले ।
    3. विदेश में २.२ वी के एक बिजली की क्षमता लागू करने के लिए Au पूर्वाग्रह इलेक्ट्रोड । इसके साथ ही एक डिजिटल मीटर के साथ एक potentiostat या एक डीसी शक्ति के स्रोत का उपयोग करके बिजली प्रतिक्रियाओं की निगरानी ।
      नोट: वोल्टेज मूल्य के लिए ऊपरी सीमा होना निर्धारित है, पानी इलेक्ट्रोलिसिस कि समाधान में ओ2 और एच2 बुलबुले उत्पंन से परहेज ।
    4. कंप्यूटर पर अनुरेखक कणों के व्यवहार को रिकॉर्ड.
    5. उपाय Au जांच इलेक्ट्रोड और एक डिजिटल मीटर की पुष्टि करें कि आयनों की एकाग्रता ढाल एक EHD प्रवाह३८,३९से चलाता है का उपयोग करके प्रवाह चैनल के दोनों सिरों के बीच एक बिजली के संभावित अंतर को मापने ।
    6. चैनल के केंद्र में काटीज़ियनवादी निर्देशांक प्रणाली के मूल का निर्धारण.
      नोट: x-अक्ष प्रवाह चैनल की अनुदैर्ध्य दिशा के साथ है, और y-और z-अक्ष, चित्र 2में दर्शाए अनुसार, चैनल के क्रॉस-अनुभाग में क्षैतिज और अनुलंब दिशाओं में होते हैं । पारदर्शी PDMS चैनल तरल प्रवाह एक्स-अक्ष के साथ visualized किया जा करने के लिए अनुमति देता है । दृश्य xy विमान पर ध्यान की गहराई को नियंत्रित करके z = 0 पर केंद्रित है । प्रवाह डेटा बस प्रवेश और चैनल के आउटलेट के पास छोड़कर परीक्षण अनुभाग में एक्स के स्वतंत्र हैं, और प्रेक्षण बिंदु लगभग ०.७५ मिमी बहाव से मूल, इस तरह कि एक्स = ०.७५, y = 0, और जेड पर सेट है = 0 मिमी.
    7. एक माप के बाद (15 एस), लघु सर्किट इलेक्ट्रोड उन्हें एक दूसरे को 20 मिनट के लिए एक नेतृत्व के साथ जोड़ने के द्वारा समाधान equilibrated है जब तक.
    8. अगले, एक और पोत (जैसे, एक 10 मिलीलीटर नमूना बोतल) के समाधान की संपूर्णता ले जाएं और यह एक micropipette के साथ हलचल ।
    9. एक micropipette का उपयोग कर जब iteratively प्रयोग प्रदर्शन फिर कक्ष में उभारा समाधान डालो ।
      नोट: अवलोकन के बाद, EHD प्रवाह वेग कण छवि velocimetry (PIV) विधि३९, जो कणों के विस्थापन का पता लगाने और संख्यात्मक वेग का मूल्यांकन करने के लिए उपयुक्त सॉफ्टवेयर का उपयोग करके किया जा सकता है का उपयोग करके मूल्यांकित है । PIV विधियों का विस्तृत विवरण और इनका उपयोग कैसे किया जाता है, क्योंकि PIV विश्लेषणों का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है और चंद्रग्रहण की प्रक्रियाएँ सॉफ्टवेयर और ऑपरेटिंग सिस्टम पर निर्भर करती हैं जिनका उपयोग कया जा रहा है.

2. कटियन प्रेरित EHD प्रवाह का अवलोकन

  1. प्रायोगिक युक्ति का विकास
    1. फार्म Au पूर्वाग्रह इलेक्ट्रोड के साथ एक 26 x 10 मिमी2 सतह नीचे ग्लास प्लेट पर पहले चरणों में वर्णित उन लोगों के लिए इसी तरह की प्रक्रियाओं के अनुसार 1.1.5-1.1.7.
    2. का प्रयोग रेडियो फ्रीक्वेंसी sputtering, कोट सीआर या तिवारी के साथ एक गिलास सतह ७५ डब्ल्यू में 2 मिनट के लिए एआर प्लाज्मा को उजागर और 5 मिनट के लिए ७५ डब्ल्यू में एक Au पतली फिल्म जमा
      नोट: इलेक्ट्रोड के इस आकार के लिए अत्यधिक संकीर्ण चैनल क्षेत्र में बिजली के क्षेत्रों ध्यान केंद्रित करने के लिए निर्धारित किया जाता है. इलेक्ट्रोड सतह का अनुपात, जिसका क्षेत्रफल 10 x 10 मिमी2 एक तरल के संपर्क में है, चैनल के क्रॉस-सेक्शन को आदर्श रूप से 100:1 है; इस अनुपात में एक बड़ी राशि16से चैनल पर बिजली की क्षमता ड्रॉप करने के लिए पर्याप्त होने की भविष्यवाणी की है ।
    3. मिलाप एक टांका लोहे का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के एक किनारे पर एक लीड लाइन ।
    4. एक बड़े सिलिकॉन रबर शीट से, बाहर 2 कक्षों में कटौती, एक 1 x 1 x 1 मिमी3 प्रवाह २ १० x 10 x 1 मिमी3 जलाशयों के बीच रखा चैनल के बने, एक शल्य चाकू का उपयोग कर ( चित्रा 3देखें) । इन भागों PDMS द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है ।
    5. १२७ µm की एक औसत मोटाई के साथ एक कटियन-विनिमय झिल्ली में कटौती 20 x 30 mm एक बॉक्स कटर या सर्जिकल चाकू का उपयोग कर, के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है ।
    6. Ultrasonicate प्रत्येक भाग को शुद्ध पानी में 15 मिनट के लिए लगाने से १०० डब्ल्यू.
    7. आकृति 3में दिखाए गए अनुसार चिमटी का उपयोग कर कक्षों के बीच एक कटियन-विनिमय झिल्ली डालें । यह अलग सांद्रता के 2 इलेक्ट्रोलाइट समाधान अलग होगा ।
    8. चैंबर्स और कटियन के ढेर को दबाएं और सील करें-ग्लास प्लेटों के साथ एक्सचेंज झिल्ली जिसका आयाम 26 मिमी चौड़ाई में और ३८ मिमी लंबा है ।
  2. समाधान की तैयारी
    1. १.०१ µm के एक औसत व्यास के polystyrene कणों का एक फैलाव 1 x 10− 2 मॉल/L tris (hydroxymethyl) aminomethane ethylenediaminetetraacetic एसिड (tris-EDTA) बफर सॉल्यूशन तैयार करें, जहां मात्रा का अनुपात 1 x 10 − 2 में समायोजित किया जाता है vol%.
    2. KCl के 1 मॉल/l का एक मिश्रण तैयार करें और Tris-EDTA के 1 x 10− 2 मॉल/
    3. Tris-EDTA/polystyrene कण और Tris-EDTA/KCl समाधान कम और ऊपरी कक्षों में, क्रमशः सिरिंज कक्षों की ओर दीवारों से डाला सुई के माध्यम से सुई ।
      नोट: प्रत्येक चैंबर में इंजेक्शन के समाधान की मात्रा के बारे में २१० µ है l
    4. के बारे में 18 एच के लिए रुको जब तक समाधान आयनों की एक प्रसार का एक परिणाम के रूप में equilibrated को ऊपरी और निचले परतों के बीच आयन एकाग्रता अंतर आराम करो ।
      नोट: प्रसार प्रक्रिया में, K+ ऊपरी समाधान और H+ झिल्ली में पहली बार झिल्ली घुसना करने के लिए उम्मीद कर रहे हैं, और सीएल− उन्हें का पालन करने की उम्मीद है ।
  3. प्रायोगिक सेटअप और मापन प्रणाली
    1. हाथ से उल्टे माइक्रोस्कोप के मंच पर चरण २.१ में विकसित प्रयोगात्मक डिवाइस सेट, के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है. कण गति की गति की निगरानी और एक कंप्यूटर पर अवलोकन डेटा रिकॉर्ड करने के लिए एक उच्च गति CMOS कैमरा करने के लिए माइक्रोस्कोप से कनेक्ट करें ।
    2. एक बिजली के स्रोत के रूप में एक समारोह जनरेटर का उपयोग करके दो इलेक्ट्रोड के बीच 6 एस के लिए 2 वी के एक बिजली के संभावित अंतर लागू करें ।
    3. कि EHD प्रवाह आयन परिवहन द्वारा प्रेरित कर रहे है पुष्टि करने के लिए, एक साथ एक ammeter४०का उपयोग करके ईओण धाराओं उपाय ।
    4. कण ट्रैकिंग velocimetry (पीटीवी) विधि३९द्वारा कणों की दर्ज की गई पथ का विश्लेषण करें ।
      नोट: अवलोकन के बाद, EHD प्रवाह वेग पीटीवी विधि द्वारा मूल्यांकन किया गया है, जो उपयुक्त सॉफ्टवेयर का उपयोग करके संभव है, कणों के विस्थापन का पता लगाने और संख्यात्मक वेग का मूल्यांकन करने के लिए. पीटीवी विधियों का विस्तृत विवरण और इनका उपयोग कैसे किया जाता है, क्योंकि पीटीवी विश्लेषणों का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है और चंद्रग्रहण की प्रक्रियाएँ उस सॉफ्टवेयर और ऑपरेटिंग सिस्टम पर निर्भर करती हैं जिसका उपयोग हो रहा है.

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Representative Results

चित्र 4 (वीडियो चित्रा) एक EHD प्रवाह पीढ़ी के एक प्रतिनिधि परिणाम प्रस्तुत करता है, आयन परिवहन रास्ते और उच्च केंद्रित cations है कि चैनल में एक तरल प्रवाह प्रेरित के सुधार से उत्पंन, प्रोटोकॉल के चरण 1 के अनुसार । चित्रा 5 PIV विश्लेषण का एक परिणाम से पता चलता है, जहां चैनल के केंद्र के पास 20 डेटा अंक (y = z = 0 मिमी) औसत थे. 1 x 10− 1 मॉल/L NaOH समाधान के मामले में, जब २.२ वी के एक विद्युत क्षमता टी = 5 एस पर लागू किया गया था, अनुरेखक कणों का वेग जल्दी से एक चोटी के मूल्य में वृद्धि हुई. उसके बाद वेग में कमी आई और 0 तक एकाग्र हो गया । चोटी वेग एक के पास पहुंच 2 मिमी/ यह एक EHD एक आयनों-विनिमय झिल्ली और एक 1 x 10− 1 मॉल/L NaOH समाधान का उपयोग करके उत्पंन प्रवाह का एक विशिष्ट परिणाम है ।

यह भी पुष्टि की है कि अनुरेखक कणों की electrophoretic परिवहन वेग में तरल प्रवाह के पीक वेग से बहुत कम था 1 x 10− 1 मॉल/L NaOH समाधान३८,३९. के रूप में साहित्य३९में चर्चा की, EHD प्रवाह के इस तरह की रिवर्स से मिलकर माना जाता है, ओह− झिल्ली और ना के माध्यम से गुजर+ और ज+ प्रवाह चैनल में केंद्रित आयनों के लिए क्षतिपूर्ति के लिए बह झिल्ली में परिवहन । के रूप में एकाग्रता की कमी हुई, परिवहन व्यवहार के लिए धीमी हो जाती है । इसका अर्थ यह है कि अवधि-जब तक वेग एक शिखर पर पहुँच गया-और क्षय का समय अब तक लग रहा था, वेग का शिखर मूल्य घटते जा रहा है. इस परिणाम ने संकेत दिया कि आयनों जिनकी गति बिजली बलों द्वारा संचालित किया गया था की संख्या में कमी आई है, और फलस्वरूप, तरल में विद्युत शरीर बल भी कम हो गया था ।

एक महत्वपूर्ण अवलोकन है कि सतत ईओण धाराओं आयन चुनिंदा इंटरफेस द्वारा सुधारा विलायक अणुओं एक दिशा में घसीटा जा करने के लिए कारण है और यह एक तरल प्रवाह के विकास के कारण होता है । इस मामले में, वहां एक संभावना है कि तरल प्रवाह आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण आयनों-विनिमय झिल्ली है कि चैनल में रिवर्स प्रवाह ट्रिगर पार द्वारा बढ़ाया गया है । यह बिंदु पहले से ही एक पिछले अध्ययन३९में उल्लेख किया गया था । यह माना जाता था कि एसी क्षेत्रों को भी तरल प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए समय पर दिशा बदलने प्रभावी थे । वर्तमान EHD प्रवाह न+ आयनों की परिमित संख्या के कारण परिवर्तनीय प्रतिक्रियाओं तक सीमित था; यह स्थिति एक स्थिर cationic वर्तमान को बनाए रखने के लिए अनुकूल नहीं था, भले ही २.२ वी के एप्लाइड वोल्टेज पर्याप्त पानी की इलेक्ट्रोलिसिस प्रेरित करने के लिए किया गया था । निरंतर EHD प्रवाह उत्पंन करने के लिए, हम आयन प्रजातियों के साथ विलायक अणुओं है कि ईओण वर्तमान के प्रमुख वाहक है खींचने का प्रस्ताव । आगे के विवरण हमारे भविष्य के काम में सत्यापित किया जाएगा । यहां, हम एक EHD प्रवाह है कि आयन परिवहन रास्ते को सुधारने के द्वारा NaOH समाधान में प्रेरित किया जा सकता है की एक प्रतिनिधि परिणाम पेश किया । एकाग्रता निर्भरता और बिजली के संभावित मतभेदों के बारे में विवरण भी यङो, दोी, और Kawano३७,३८ और यङो, Shirai, Imoto, दोी, और Kawano३९द्वारा चर्चा कर रहे हैं ।

चित्रा 6 (वीडियो चित्रा) EHD ईओण वर्तमान परिस्थितियों में एक विद्युत ध्रुवीकरण समाधान में उत्पंन प्रवाह के एक प्रतिनिधि परिणाम से पता चलता है । EHD प्रवाह के वेग प्रतिक्रिया भी अनुरेखक कणों ट्रैकिंग द्वारा विश्लेषण किया गया था, चित्रा 7, जो प्रवाह चैनल के केंद्र के पास एक एकल कण ट्रैकिंग द्वारा प्राप्त एक ठेठ परिणाम था में दिखाया गया के रूप में. जब 2 वी के एक बिजली की क्षमता टी = 2 से 8 एस के लिए लागू किया गया था, polystyrene कणों लागू बिजली के क्षेत्र के लिए जवाब दिया । टी = 2 एस में, कण जल्दी से पिछड़े दिशा में translocated, नकारात्मक शुल्क के electrophoretic परिवहन के लिए इसी । कम समय की प्रतिक्रिया के बाद, प्रवाह को आगे की दिशा में बदल गया और वेग 30 µm पर स्थिर हो गया है जब तक बिजली की क्षमता बंद कर दिया गया था ।

इस अवधि में नकारात्मक आरोपी polystyrene कणों के परिवहन की दिशा में सकारात्मक शुल्क लेकर चले गए. सामान्य तौर पर, दिशा एक दिशात्मक बिजली के क्षेत्र के तहत सहज रिवर्स नहीं किया जा सकता है, भले ही कणों की सतह प्रभारी काउंटर cations द्वारा पूरी तरह से ढाल था । इस प्रकार, इस परिणाम का संकेत दिया है कि समाधान में फैलाया cations भी electrophoretically बिजली के खेतों के साथ ले जाया गया, विलायक अणुओं है कि धीरे से एक तरल प्रवाह विकसित खींच । नकारात्मक प्रभार अत्यधिक कण सतह पर ध्यान केंद्रित एक विद्युत शक्ति है कि cations द्वारा समाधान में वितरित की तुलना में मजबूत कारण, और, इस प्रकार, सबसे पहले नकारात्मक दिशा में परिवहन चलाई । उसके बाद, एक तरल प्रवाह cationic वर्तमान द्वारा खींचा कण पर एक खींचें बल बढ़ गया । इस शासन में, वेग ढाल वास्तव में y-धुरी के साथ प्रवाह की दिशा को सीधा देखा गया, और, इस प्रकार, एक तरल प्रवाह पीढ़ी वास्तव में पुष्टि की गई थी ।

polystyrene EHD प्रवाह से प्रभावित कणों का व्यवहार भी एक पिछले अध्ययन में मूल्यांकन किया गया था, और यह पाया गया कि EHD प्रवाह आनुपातिक एक बढ़ती ईओण वर्तमान के साथ वृद्धि की वेग । एक बाहरी बिजली के क्षेत्र में लागू करने से पहले 18 से अधिक एच के एक इंतज़ार कर रहे समय एक निरंतर EHD प्रवाह उत्प्रेरण के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक है, क्योंकि यह आयन वितरण के लिए इस तरह के एक लंबे समय लगता है equilibrated होने के बाद से वे चैनल में लगभग समान हैं । नतीजतन, Poiseuille प्रवाह पैटर्न की तरह तेजी से मनाया जाता है । दूसरी ओर, हम एक स्थिर प्रवाह जब प्रतीक्षा समय वर्दी आयन वितरण प्राप्त करने के लिए पर्याप्त नहीं था की पुष्टि नहीं कर सका ।

एक निरंतर वेग देख के बाद, बिजली की क्षमता टी = 8 एस पर बंद कर दिया गया था । यहां, जल्दी से बिजली के संभावित अंतर को बदलने के लिए 2 से 0 V, ढाल इलेक्ट्रोड दोनों इलेक्ट्रोड बराबर सतहों बनाने के लिए बिजली की क्षमता का एक अत्यधिक आवेदन की आवश्यकता हो सकती है. उस प्रक्रिया में, आयनों अत्यधिक इलेक्ट्रोड के पास केंद्रित सतहों प्रतिकारक बिजली बलों, जो उलट ईओण धाराओं में परिणाम प्राप्त करते हैं । विशेष रूप से, cationic वर्तमान कि निचली परत में प्रमुख था एक तरल प्रवाह उत्पंन होने का कारण बना है, और पिछड़े दिशा में एक क्षणिक प्रतिक्रिया वास्तव में प्रयोगात्मक परिणाम है, जो तुरंत प्रकट जब बिजली की क्षमता में मनाया गया था बंद कर दिया गया था और एकाग्र करने के लिए 0 µm/ इस प्रयोग में EHD प्रवाही पीढ़ी में ऐसी प्रक्रियाएँ विशिष्ट थीं. स्थिर EHD प्रवाह के बगल में, रिवर्स प्रवाह मनाया जब बिजली की क्षमता स्विचन पर और बंद भी दिलचस्प हैं । क्षणिक प्रतिक्रियाओं में, इलेक्ट्रोड पर विद्युत प्रतिक्रियाओं संभवतः कठोर आयन एकाग्रता ढाल कि प्रसार क्षमता के साथ ही बाहरी रूप से लागू बिजली की क्षमता प्रेरित कारण सतहों । इस तरह के जटिल आयन परिवहन घटनाएं अभी तक पर्याप्त स्पष्ट नहीं किया गया है और, इसलिए, विषयों को भविष्य के काम में हल हो रहे हैं ।

EHD प्रवाह पीढ़ी के तंत्र योजनाबद्ध रूप से 8 चित्रामें प्रस्तुत कर रहे हैं । एक EHD NaOH समाधान में प्रेरित प्रवाह चित्रा 8में दिखाया गया है, 4 चित्राके मामले के लिए इसी । चैनल में एनए+ द्वारा खींचा EHD प्रवाह एक आयनों-विनिमय झिल्ली में ओह− के परिवहन से शुरू होता है । अस्थिर प्रवाह के कारण बड़े पैमाने पर फ्लक्स गलन, गति प्रवाह भिगोना, सतह गतिशीलता, और इलेक्ट्रोड सतहों के electrowetting के अपव्यय की वजह से है । EHD प्रवाह के एक अंय तंत्र cationic वर्तमान परिस्थितियों के तहत प्रेरित है, जो anionic लोगों की तुलना में अधिक प्रभावी रहे हैं, चित्र 8बीमें प्रतिनिधित्व किया है । + आयनों पहले एक कटियन-विनिमय झिल्ली घुसना, कटियन-प्रमुख स्थितियों के कारण, और, एक परिणाम के रूप में, EHD प्रवाह cationic वर्तमान के साथ प्रेरित किया है ।

जैसा कि ऊपर वर्णित है, बिजली की क्षमता के आवेदन को कम करने के द्वारा ईओण वर्तमान परिस्थितियों के तहत बिजली के ध्रुवीकरण शर्तों को बनाए रखने के स्थिर EHD प्रवाह पैदा करने के लिए महत्वपूर्ण है । वर्तमान तरीकों का उपयोग करके, कुछ वोल्ट जलीय समाधान में EHD प्रवाह प्रेरित करने के लिए पर्याप्त हो सकता है, हालांकि पानी इलेक्ट्रोलिसिस के लिए लगातार ईओण धाराओं विलायक अणुओं को इलेक्ट्रोलाइट आयनों से गति हस्तांतरण को बढ़ाने के लिए बनाए रखने के लिए आवश्यक है ।

Figure 1
चित्रा 1 : EHD प्रवाह अवलोकन के लिए प्रायोगिक सेटअप का फोटोग्राफ । अनुरेखक कणों की गति एक उच्च गति कैमरे से जुड़ा माइक्रोस्कोप द्वारा पता लगाया जाता है, नियंत्रक में पथ रिकॉर्डिंग. बिजली की क्षमता एक potentiostat या एक डीसी बिजली के स्रोत का उपयोग करके लागू कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2 : एक प्रयोगात्मक डिवाइस के योजनाबद्ध चित्रण । एक प्रवाह PDMS का बना चैनल एक आयनों-विनिमय झिल्ली में तय हो गया है और एक NaOH जलीय समाधान से भरा है । Au इलेक्ट्रोड समाधान के दोनों सिरों पर रखा जाता है । निर्देशांक का उद्गम वर्ग प्रवाह चैनल के केंद्र पर सेट है और एक अवलोकन क्षेत्र x = ०.७५ और z = 0 मिमी के पास एक xy विमान में है. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3 : प्रयोगात्मक सेटअप और एक उपकरण के योजनाबद्ध आरेख के फोटोग्राफ एक विद्युत ध्रुवीकरण समाधान में एक कटियन-घसीटा EHD प्रवाह प्रेरित करने के लिए । एक 1 मॉल/l KCl और 1 x 10− 2 मॉल/l Tris-EDTA बफर समाधान और एक 1 x 10− 2 vol% polystyrene (PSt) कण फैलाव में एक 1 x 10− 2 मॉल/एल Tris-EDTA बफर समाधान एक कटियन-विनिमय झिल्ली के साथ अलग कर रहे हैं, जहां का औसत व्यास इस पीएसटी कण १.०१ µm है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्र 4 (वीडियो चित्रा): EHD प्रवाह की एक फिल्म ना+ आयनों के परिवहन से प्रेरित प्रवाह चैनल में केंद्रित है । अनुरेखक कणों बिजली क्षेत्र की दिशा के साथ ले जाया जाता है जब २.२ वी के एक बिजली की क्षमता टी = 5 एस पर लागू किया जाता है नकारात्मक आरोप लगाया polystyrene कणों में एक EHD प्रवाह cationic वर्तमान द्वारा संचालित में कैथोड पक्ष के लिए लाया जाता है चैनल । 1 x 10− 1 मॉल/L NaOH समाधान के मामले में, एक विद्युत क्षमता लागू करने के बाद 2 mm/s के पास एक पीक वेग जल्दी पहुंच जाता है, और वेग क्रमिक क्षय शून्य हो जाता है । कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें । (डाउनलोड करने के लिए राइट-क्लिक करें.)

Figure 5
चित्रा 5 : EHD प्रवाह की प्रतिक्रिया प्रवाह चैनल में मनाया, की दर्ज की फिल्म के लिए PIV विश्लेषण से उत्पंन चित्र 4. वेग प्रतिक्रिया (ब्लू सॉलिड लाइन) चैनल के केंद्र के पास 20 अंक के औसत से प्राप्त किया गया था (y = z = 0 मिमी). वेग जल्दी वृद्धि हुई है के बाद एक बिजली की वोल्टेज २.२ वी में 5 एस और धीरे-2 करने के लिए एकाग्र 0 mm/ एप्लाइड वोल्टेज के अनुक्रम भी एक लाल डैश्ड लाइन के साथ दिखाया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 (वीडियो चित्रा): EHD प्रवाह की एक फिल्म एक विद्युत ध्रुवीकरण समाधान में मनाया, एक कटियन-विनिमय झिल्ली का उपयोग करके एक 1 मॉल/L KCl समाधान और polystyrene फैलाव को अलग । टी से 2 वी के एक बिजली की क्षमता लागू = 2 से 8 एस, अनुरेखक कणों का परिवहन एक EHD एक cationic वर्तमान द्वारा संचालित प्रवाह को दर्शाता है. एक निरंतर प्रवाह वेग क्षमता के आवेदन के दौरान 30 µm/ इसके अतिरिक्त, कण भी संक्षेप में नकारात्मक दिशा में प्रतिक्रिया जब बिजली की क्षमता पर और बंद कर दिया है क्योंकि एक कण के विद्युत प्रभारी सबसे पहले गति को प्रभावित करता है । कृपया इस वीडियो को देखने के लिए यहां क्लिक करें । (डाउनलोड करने के लिए राइट-क्लिक करें.)

Figure 7
चित्र 7 : EHD प्रवाह की प्रतिक्रिया चैनल में मनाया, चित्रा 6के रिकार्ड फिल्म के लिए पीटीवी विश्लेषण से उत्पंन । वेग प्रतिक्रिया (ब्लू सॉलिड लाइन) चैनल के केंद्र के पास एक एकल कण पर नज़र रखने के द्वारा प्राप्त किया गया था. एप्लाइड वोल्टेज के अनुक्रम भी एक लाल डैश्ड लाइन के साथ दिखाया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 8
चित्र 8 : EHD प्रवाह पीढ़ी के आंकड़े 4 और 5 (पैनल एक) और 6 और 7 (पैनल बी) के लिए इसी तंत्र के योजनाबद्ध । (क) तरल प्रवाह एक NaOH जलीय समाधान है कि एक आयनों-विनिमय झिल्ली के साथ अलग किया जाता है में प्रेरित कर रहे हैं, जहां EOF झिल्ली में एक ओह के परिवहन द्वारा प्रेरित एक एक एनए से घसीटा प्रवाह चलाता है+ चैनल में परिवहन और आंशिक रूप से है बड़े पैमाने पर प्रवाह गलन, गति प्रवाह भिगोना, सतह गतिशीलता, और इलेक्ट्रोड सतहों के electrowetting के साथ अपव्यय । (ख) cationic वर्तमान anionic वर्तमान की तुलना में अधिक प्रमुख है क्योंकि कश्मीर+ सबसे पहले एक कटियन-विनिमय झिल्ली है, जो एक तरल निरंतर वर्तमान पानी से संबंधित परिस्थितियों में cations द्वारा घसीटा प्रवाह के लिए योगदान देता है प्रवेश इलेक्ट्रोलीज़. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

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Discussion

इस अध्ययन का उद्देश्य स्थानिक वितरणों और परिवहन संख्याओं के संदर्भ में जलीय समाधानों में cations और ॠणायन को पृथक करना था. एक आयनों-विनिमय झिल्ली का उपयोग करना, ॠणायन और cations के परिवहन झिल्ली में सुधारा जा सकता है और एक प्रवाह चैनल है कि झिल्ली में प्रवेश, क्रमशः । वैकल्पिक रूप से, एक कटियन-विनिमय झिल्ली है कि उच्च और कम एकाग्रता समाधान अलग एक काफी प्रतीक्षा समय के बाद बिजली का ध्रुवीकरण समाधान उत्पंन करने के लिए काम किया । एक परिणाम के रूप में, सुधारा ईओण धाराओं लागू वोल्टेज को कम करने में सफल आयन प्रेरित EHD प्रवाह खींच लिया ।

यहां प्रस्तुत तरीकों पारंपरिक तरीकों की तुलना में कम आवेदन वोल्टेज के साथ जलीय समाधान के लिए उपलब्ध है कि बहुत उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है केवी के दसियों गैर में बिजली के आरोप-ध्रुवीय समाधान इंजेक्षन करने के लिए । यह स्पष्ट किया है कि EHD प्रवाह जलीय समाधान के रूप में के रूप में अच्छी तरह से गैर ध्रुवीय समाधान में प्रभावी रहे हैं ।

हालांकि, वर्तमान तरीके पानी इलेक्ट्रोलिसिस पर निर्भर करने के लिए निरंतर ईओण धाराओं जिसमें पानी इलेक्ट्रोलिसिस की आदर्श क्षमता को १.२३ वी जाना जाता है बनाए रखने के लिए । इस प्रकार, वहाँ लागू वोल्टेज पर एक सीमा ओ2 और एच2 बुलबुले पैदा करने से बचने के लिए है कि एक तरल के गुण बदल जाते हैं. इस सीमा को दूर करने के लिए, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट समाधान की सामग्री के लिए उचित इलेक्ट्रोड पर विद्युत प्रतिक्रियाओं सेट करने के लिए समाधान में ईओण धाराओं उत्पंन सतहों निर्धारित किया जाना है । हर परीक्षण पर, इलेक्ट्रोड सतहों पॉलिश और समाधान में एक मजबूत बिजली के क्षेत्र बनाने के लिए नंगे होना चाहिए, विद्युत प्रतिक्रियाओं को बढ़ाने.

इस अध्ययन में आयन-विनिमय झिल्ली के उपयोग से आयन प्रजातियों के परिवहन मार्ग को सुधारने का प्रस्ताव किया गया था. दूसरी ओर, EHD प्रवाह पीढ़ी की क्षमता झिल्ली की क्षमता पर निर्भर करने के लिए लग रहा था । के रूप में प्रोटोकॉल में चर्चा की, आयनों के प्रसार काफी इंतज़ार कर समय लगता है जब तक यह स्थिर हो जाता है । इसलिए, झिल्ली की चालकता को बढ़ाने के लिए प्रक्रिया EHD प्रवाह पीढ़ी की क्षमता में सुधार करने के लिए महत्वपूर्ण है । जब बनाए रखने के ईओण की वर्तमान स्थिति में बाहरी रूप से लागू बिजली के खेतों, आयनों के परिवहन गुणों में सुधार कर रहे हैं, और बिजली के ध्रुवीकरण प्रभावी ढंग से हासिल कर रहे हैं ।

भविष्य में, जलीय समाधान के EHD प्रवाह सूक्ष्म और nanofluidic EOFs और तरह के साथ संयुक्त उपकरणों में तरल प्रवाह नियंत्रण प्रणालियों के लिए लागू होने की उंमीद कर रहे हैं । इसके अलावा, चिकित्सा उपकरणों के लिए आवेदन, जिसमें आयन परिवहन जैविक कोशिकाओं और संकेत transduction को उत्तेजित करने के लिए एक महत्वपूर्ण भूमिका है, यह भी चुनौती दे रहे हैं ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखकों की कोई पावती नहीं है.

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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इंजीनियरिंग १३९ अंक Electrohydrodynamic प्रवाह ईओण वर्तमान जलीय समाधान सुधार ट्रो आयन-विनिमय झिल्ली
उत्पादन और जलीय इलेक्ट्रोलाइट समाधान में Electrohydrodynamic प्रवाह का नियंत्रण
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Doi, K., Nito, F., Yano, A., Nagura, … More

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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