Summary
이온 수송 통로의 정류 단방향 이온 끌고 충돌기 흐름을 생성 하는 효과적인 방법입니다. 흐름 채널에서 이온 교환 멤브레인을 설정 하 여 전기 편광된 상태 생성 되 고 전기 분야 외부에서 적용 될 때 구동 액체 흐름을 원인.
Abstract
충돌기 (EHD) 드라이브 흐름은 수성 해결책에서 양이온과 음이온 수송 통로의 분리는 필수 감독된 전기 몸 힘 액체에서 이온 움직임에 의해 유도 될 수 있다 때문에. 다른 한편으로, 긍정 및 부정 요금, 유치 하 고 electroneutrality 사방 평형 조건에서 유지 됩니다. 또한, 적용 된 전압에 있는 증가 불안정 해결책을 일으키는 원인이 되는 물 전기 분해를 피하기 위해 억제 될 수 있다. 일반적으로, EHD 흐름 전기 료를 주입 하 수십 kV, 매우 높은 전압을 적용 하 여 비-수성 솔루션에서에 유도 될 수 있다. 이 연구에서는 두 가지 방법 EHD 흐름 두 액체 단계는 이온 교환 막으로 분리 된다 수성 해결책에서 전기 요금 분리에 의해 유도 된 생성에 소개. 막에 있는 이온 이동성에 차이로 인해 이온 농도 분극 막의 양쪽 사이 유도 된다. 이 연구에서 우리는 두 가지 방법을 보여 줍니다. (i) 이온 농도 기온 변화도의 이완을 통해 어디 느린 종 막에서의 수송 선택적으로 지배적 되 흐름 채널에는 이온 교환 막 침투 흐름 채널 발생 합니다. 이것은 액체에서 EHD 흐름을 생성 하는 원동력입니다. (ii) 긴 대기 시간 이온 교환 멤브레인을 통과 하는 이온의 확산에 대 한 외부 전기 분야를 적용 하 여 이온 끌고 흐름의 생성을 수 있습니다. 1 x 1 m m2 횡단면의 흐름 채널에 집중 하는 이온 전기 이동 전송 경로에 해당 하는 액체 흐름의 방향을 결정 합니다. 두 방법에서 EHD 흐름 생성에 필요한 전기 전압 차이 2 V 이온 전송 경로 조정 하 여 근처에 크게 감소 된다.
Introduction
최근, 액체 흐름 제어 기법 마이크로 및 nanofluidic 장치1,2,3,,45, 의 응용 프로그램에 대 한 관심 때문에 많은 관심을 받고 있다 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. 수성 솔루션 및 이온 액체, 같은 극 지 솔루션, 이온 및 전기 입자 보통가지고 액체 흐름에 전기 요금에 대 한. 단일 분자 조작6,10,11,,1314 등 다양 한 응용 프로그램의 확장을 제공 하는 이러한 편광된 입자의 전송 , 15 , 16 , 17, 이온 다이오드 장치12,18, 액체 흐름 제어19,20,,2122. EHD 흐름 Stuetzer1,2 발명 이온 드래그 펌프 액체 흐름 제어 시스템에 대 한 해당 현상이 되었습니다. 멜과 테일러3 EHD 흐름의 이론적 프레임 워크를 잘 검토 하 고 몇 가지 뛰어난 실험 또한 설명 되었다 있는 중요 한 문서를 출판. Saville4 와 그의 동료23,24 EHD 기술 액체에서의 다음 확장에 기여 했다. 그러나, 전기 힘에 의해 구동 하는 액체 흐름을 유도 하는 수십 kV 등, 그들에 게1,2 극에 극 지 비 솔루션에 전기 료를 주입 하는 액체에 적용 해야 하기 때문에 몇 가지 제한이 있었습니다. , 3. 이것은 수성 솔루션에 대 한 단점이 있기 때문에 전기 잠재력 1.23 V 보다 높은 의해 유도 된 물 전기 분해 솔루션의 특성을 변경 하 고 솔루션을 불안정 하 게.
마이크로 및 nanofluidic 채널에서 채널 벽의 표면 요금 적용된 외부 전기 분야25,26,27 아래 counterions electroosmotic 흐름 (EOFs)을 효과적으로 유도의 농도 발생 ,,2829. EOFs를 사용 하 여 액체 펌핑 기법 전기 전압30,,3132감소 수성 솔루션에 적용 되었습니다 했습니다. 다른 한편으로, EOFs 마이크로 및 nanospaces는 표면 액체 볼륨 보다 더 지배적 될 생성 제한 됩니다. 또한, 벽 표면 근처 매우 고 농도 이온의 수송에 따라 같이 전기 이중 층에서 슬립 경계만 하면 압력 기온 변화도7, 수 있도록 충분 하지 않을 수 있습니다 액체 흐름 8 , 22 , 26 , 27. 괜찮아, 채널 치수와 소금 농도 같은 튜닝은 EOF의 응용 프로그램에 필요한. 반면, EHD 흐름 몸 힘 경우 용 매를 저하 하지 않도록 응용 프로그램 전압 감소 될 수 있다 질량 및 에너지 수송 가능할 것에 의해 구동. 최근, 일부 연구 자들은 낮은 전압33,34,,3536와 EHD 흐름의 응용 프로그램을 제안 했다. 이러한 기술은 아직 구현 되지 않았습니다, 비록 국경 확장으로 예상 된다.
이전 학문에서는, 우리는 또한 수성 솔루션37,38,,3940EHD 흐름에 대 한 실험 및 이론적인 작업 실시. 그것은 이온 수송 통로의 정류 했다 전기 몸 힘 전기 분야에서 발생 하는 전기 충전된 솔루션을 생성 하는 효과가 있어야 했다. 이온 교환 막과 막 건너 흐름 채널을 사용 하 여 우리는 이온 전류를 해결할 수 있었다. 양이온 흐름에 집중 하는 음이온 교환 막, 적용할 때 채널 용 끌어서 EHD 흐름37,,3839를 개발. 이온의 이동성에 차이 중요 한 요소 때 양이온 및 음이온 전류를 분리 합니다. 이온 교환 막 효과적으로 이온 선택성 때문에 이동성을 조절 했습니다. 이온 수송 현상 또한 적용된 전기 분야41에 의해 좌우 하는 이온 전류 밀도의 관점에서 조사 되었다. 이러한 연구 결실 단일 분자, 즉, 마이크로 및 나노 입자, 그 움직임은 열 변동11,16,17의 영향을 강하게 조작 기술을 개발 되었습니다. . EOFs와 EHD 흐름 정확한 흐름 제어 방법의 다양성을 확장 하 고 압력 기온 변화도 예상 된다.
이 연구에서 수성 해결책에서 드라이브 EHD 흐름을 두 가지 방법을 설명합니다. 첫째, NaOH 솔루션 작동 유체에 대 한 EHD 흐름37,,3839를 운전 하는 데 사용 됩니다. 음이온 교환 막 두 부분으로 액체를 분리합니다. 1 x 1 m m의 단면 및 3 m m의 길이입니다 (PDMS) 흐름 채널 막 침투. 적용 하 여 2.2 V의 전기 잠재력, Na++, H, OH− 이온의 전기 이동 전송 전기 분야 따라 유발 됩니다. 음이온 교환 막 및 흐름 채널 효과적으로 이온 수송 경로, 어디 음이온 지배적 막 통과 하 고 두 종 일반적으로 반대 방향으로 이동 하지만 양이온 흐름 채널에 집중, 분리 작업 유지 하는 electroneutrality. 따라서, 이러한 상태는 액체 흐름의 원동력을 발생 하지 않습니다. 이 구조는 누구의 흐름 속도 1 m m의 순서에 도달 하는 EHD 흐름을 생성 하는 중요 한/s 채널에서 높은 양이온 외부 전기 분야에 의해 가속을 집중 하기 때문에 드래그 용 매 분자. EHD 흐름 관찰 하 고 그림 1에서 보듯이 현미경 및 고속 카메라를 사용 하 여 기록 됩니다. 둘째, 농도 차이 이온 교환 막으로 분리 된 두 개의 액체 단계 하면 생성 되는 전기 편광된 상태는 이온 교환 막40을 넘어. 이 연구에서 우리는 상당한 대기 시간 equilibrate 액체에 몸 힘을 적용 하는 것이 좋습니다 조건 발생 이온 배포판 및 해당 전기 잠재력을의 중요성을 찾으십시오. 이온 교환 막 건너, 약하게 편광된 상태가 이루어집니다. 같은 조건에서 외부에서 인가 되는 전기 분야 유도 방향 이온 전송 액체, 몸에 힘을 생성 하 고 용 매 이온에서 기세 전송 EHD 흐름을 개발 하는 결과적으로.
위에서 설명 했 듯이, 현재 장치 몇 볼트, 적용된 전압 차이 크게 감소에 성공 하 고 따라서이 메서드는 기존의 전기 충전 주입 방법 필요한 수십 kV 비록 수성 솔루션에 사용할 수 있습니다, 비-수성 솔루션에 응용 프로그램으로 제한 됩니다.
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Protocol
1. EHD 흐름 정류 이온 수송에 의해 유도 된
- 이온 수송 경로 조정 하는 흐름 채널 장치의 개발
- 저수지의 PTFE 금형을 만들기:
- 밀링 기계를 사용 하 여 소계 (PTFE) 블록에서 10 m m3 형 x 30 x 13를 잘라 ( 그림 2참조). 또는 맞춤 제품 구매.
- 아크릴 플레이트 바이어스 전극 정착 저수지에서 틈새를 만들 것입니다 플라스틱 접착제, PTFE 금형의 양쪽 끝에서 1 m m3 x 18 x 15를 준수 합니다. 이 부분 큰 접시에서 잘라 하거나 구입할 수 있습니다.
- 명확한 관측을 위한 평면 서피스를 만들기 위해 플라스틱 접착제 PTFE 금형의 위쪽 및 아래쪽 표면에서 1 m m3 x 30 x 13의 아크릴 플레이트를 준수 합니다.
- 50 mL 튜브에 10: 1의 비율에는 실리콘 탄성 중합체 기반과 경화 에이전트를 혼합 하 고 튜브를 손으로 흔들어.
- 진공 용기에 액체 PDMS를 정착 하 고 로터리 펌프를 사용 하 여 드.
- 선박에서 튜브를 제거 합니다. 저수지의 외부 모양 몰드를 저수지 형 24 m m3 플라스틱 용기 x 50 x 40에는 PDMS를 붓고 (단계 1.1.1 참조) 그것에.
- 구워 약 4 h 조를 위한 80 ° C에서 열판에 액체 PDMS의 전신.
- 빵, 후 손으로 PTFE 형과 외부 선박에서 PDMS 저수지를 격리 합니다. 수술 칼을 사용 하 여 저수지의 센터에서 슬릿을 확인 합니다. 이 족집게를 사용 하 여 (단계 1.1.16에서에서 준비) 하는 음이온 교환 막의 가장자리를 넣어 사용 됩니다.
참고: PDMS 저수지 가득 전해질 솔루션 후, 그림 2와 같이 합니다. - 18 m m 가장자리와 직경에서 또는 광장에서 18 m m의 원형 모양으로 유리 접시 (특별 주문에 의해 만들어진)를 얻을.
- 아세톤, 에탄올, 그리고 15 분 동안 ultrasonication 목욕에 (순서 대로)에서 순수한 물에서 그들을 몸을 담글 하 여 유리 접시를 씻어.
- 모든 잔여 액체는 공기 총으로 멀리 날 려 하거나 열 약 473 공화국에서 5 분 열판으로 유리 접시
- Cr 또는 Ti 75 W에서 1 분 동안 Ar 플라즈마에 노출 된 유리 표면을 무선 주파수 스퍼터 링을 사용 하 여, 및 연속적으로, 75 W, 두께 약 100 설정에서 Au 박막 5 분 입금 nm.
참고: 대상 금속 유리 표면 코팅 하기 전에 샘플 설정 된 철수 했습니다 로터리 펌프와 분자 확산 펌프는 압력 감소 될 때까지 1 x 10−2 실바를 진공 챔버에 - 솔더는 납땜을 사용 하 여 Au 전극 표면에 리드.
참고: Au 전극의 모양은 사각형 및 나선형 와이어, 이온 전류를 생성 하기 위해 충분히 큰 표면 영역을 유지 하 여 대체 수 있습니다 가능성이. - 핀셋, 저수지의 양쪽 끝에 Au 얇은 필름으로 코팅 하는 유리 접시 설정 합니다. 이들은 바이어스 전극입니다.
- 가 위를 사용 하 여 음이온 교환 막 20 x 18 m m2 의 사각형 모양으로 잘라. 13 m m 폭에서 및 높이 10 mm의 표면적을 액체에 노출 됩니다. 여기, 박스 커터 또는 수술 칼도 사용할 수 있습니다 잘라 막.
- 가 위로 막의 한 가장자리에서 3 x 5.5 m m2 의 사각형 조각을 잘라.
참고: 음이온 교환 막의 두께 220 µ m. 막이 위 또는 상자 개봉으로 쉽게 절단 됩니다. 막의 가장자리는 챔버에서 슬릿과 부분적으로 고정 됩니다. - 1 x 1 m m2 횡단면의 스테인리스 막대와 PDMS 블록을 막 침투 흐름 채널을 만드는 단계-1.1.4, 1.1.5에서와 같은 방법에 응으십시오. 건설 하룻밤 두고 PDMS 블록에서 스테인리스 막대를 당겨.
- 4.5 x 6 x 3 정사각형 흐름 채널 블록 mm ( 그림 2참조)를 사용 하 여 조각 된 PDMS를 잘라 수술 칼. 외부 가장자리를 따라 가늘고 길게 찢어진 곳을 확인 한 다음 직사각형 컷아웃 내 막에 부착.
참고: 채널의 상단 면에서 설정할 수 가로 입자의 명확한 관측은 흐름 채널을 통해 투명 한 벽 있다.
- 저수지의 PTFE 금형을 만들기:
- 솔루션 및 전처리 실험에 대 한 준비
- 재고 솔루션을 희석 하 여 1 × 10− 1, 1 × 10−2및 1 x 10− 3 mol/L의 농도에서 NaOH 수성 솔루션을 준비 합니다.
- 4.2 x 10− 3 vol %로 농도 설정 하 여 단계 1.2.1에서에서 준비 하는 NaOH 솔루션의 각 직경에서 평균 2.93 µ m의 폴리스 티 렌 입자의 분산을 확인 합니다.
참고: 추적 입자의 크기 observability를 개선 하기 위해 적절 하 게 변경할 수 있습니다. - 3 x 5.5 m m2 2의 슬릿와 20 x 18 m m2 의 서식이 지정 된 음이온 교환 막 ultrasonicate x 100 w.의 힘에서 순수한 물에서 10 분
- 핀셋, PDMS 흐름 채널 음이온 교환 막 PDMS 저수지로 설정 합니다. 저수지를 micropipette를 사용 하 여 NaOH 솔루션의 4 mL에 채우십시오.
참고: 막 표면 및 흐름 채널 이상 흐름 채널의 횡단면 보다 큰 x 100을 막 표면 노출 솔루션에는 솔루션에 열 중. - 2.2 V의 전기 잠재력을 관찰 하기 전에 막의 전도도 개선 하기 위해 각 시리즈, 2 h에 대 한 앞뒤 방향으로 DC 전원 소스를 사용 하 여 적용 됩니다.
- 핀셋으로 Au 전극을 당겨. 사용 하는 micropipette 저수지에서 솔루션을 제거 합니다.
- 핀셋으로 저수지에서 새로운 Au 전극을 설정 합니다. 저수지를 micropipette를 사용 하 여 NaOH 솔루션의 4 mL에 채우십시오. 솔루션 equilibrated 관측을 시작 합니다.
참고: 그것은 자연 대류는 추적 입자의 행동을 관찰 하 여 판단 될 수 있는 아래로 침전 될 때까지 대기 시간의 몇 분 걸릴 수 있습니다.
- 실험 설정 및 측정 시스템
- 프레임 속도 및 고속 보완 금속-산화물-반도체 (CMOS) 카메라의 노출 시간 설정 500 fps와 1 ms, 각각.
참고: 그림 1에서 보듯이 실험 장치 설정 됩니다 고속 CMOS 카메라에 연결 하는 현미경의 스테이지 입자 움직임을 기록. 보기는 100 X 렌즈와 함께 모니터에 15에서 확대 됩니다. - 밀거나 전기 잠재력을 적용 하기 전에, 그들을 밖으로 당겨 채널 끝에는 micropipette의 끝을 삽입 하 여 채널에서 모든 거품을 제거 합니다.
- 외부는 Au 바이어스 전극 2.2 V의 전기 잠재력을 적용 됩니다. 동시에 디지털 멀티 미터와는 potentiostat 또는 DC 전원 공급 장치를 사용 하 여 전기 응답을 모니터링 합니다.
참고: 전압 값은 상한에 솔루션에 O2 와 H2 거품을 생성 하는 물 전기 분해를 방지 수 결정 됩니다. - 컴퓨터에 추적 입자의 동작을 기록 합니다.
- 이온의 농도 기온 변화도는 EHD 흐름38,39트리거 것인지 Au 프로브 전극 및 디지털 멀티 미터를 사용 하 여 흐름 채널의 양쪽 끝 사이 전기 전위차를 측정 합니다.
- 채널의 중앙에 직교 좌표 시스템의 원점을 결정 합니다.
참고: x-축이 흐름 채널, 그리고 y의 경도 방향을 따라-및 z-축이 채널의 횡단면에서 가로 및 세로 방향으로 각각 그림 2와 같이. 투명 한 PDMS 채널 수 x에 따라 시각을 액체 흐름-축. 보기 z 에서 xy 평면에 초점을 맞추고 초점의 깊이 제어 하 여 = 0. 흐름 데이터 x 입구와 출구는 채널의 근처를 제외 하 고 테스트 섹션에서의 독립적이 고 관찰 포인트는 원점에서 약 0.75 m m 하류에 설정 되도록 x 0.75, y = 0, 및 z = = 0 m m. - 단일 측정 후 (15 s)를 연결 하 여 서로 게 20 분에 대 한 리드와 함께 때까지 솔루션 equilibrated 전극 단락.
- 다음, (예, 10ml 샘플 병) 다른 선박에 솔루션의 전체를 이동 하 고는 micropipette와 그것을 저 어.
- 사용 하 여 다시는 micropipette 반복적으로 실험을 수행할 때 챔버로 냈다 솔루션을 붓는 다.
참고: 관찰, 후 EHD 흐름 속도는 입자 이미지 velocimetry (PIV) 방법39, 입자의 변위를 추적 하는 속도 숫자로 평가 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 할 수 있는 사용 하 여 계산 됩니다. PIV 방법 및 사용 방법에 대 한 자세한 내용은 PIV 분석에 널리 사용 되 고 있다 계산의 절차 소프트웨어 및 사용 중인 운영 체제에 따라 다릅니다 때문에 여기 생략 됩니다.
- 프레임 속도 및 고속 보완 금속-산화물-반도체 (CMOS) 카메라의 노출 시간 설정 500 fps와 1 ms, 각각.
2. 양이온 유도 EHD 흐름의 관찰
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실험 장치 개발
- Au 비슷합니다 이전 단계 1.1.5-1.1.7에서에서 설명한 절차에 따라 아래 유리 접시에 26 x 10 m m2 표면으로 바이어스 전극을 형성 한다.
- Cr 또는 Ti 75 W에서 2 분 동안 Ar 플라즈마에 노출 된 유리 표면을 무선 주파수 스퍼터 링을 사용 하 여, 및 75 W.에서 Au 박막 5 분 입금
참고: 전극의이 모양은 매우 좁은 채널 지역에 전기 분야를 집중 하기 위하여 결정 됩니다. 전극 표면, 10 x 10 m m2 의 그 지역 채널의 횡단면을 액체에 노출의 비율 100: 1; 이 비율은 다량16채널에 전기 잠재력을 충분 한 것 전망 이다. - 납땜을 사용 하 여 전극의 가장자리에 리드 줄을 솔더.
- 2 챔버를 잘라 큰 실리콘 고무 시트에서 각 1 m m3 흐름 채널 x 1 x 1의 수술 칼을 사용 하 여 두 10 x 10 x 1 m m3 저수지 사이 위치 ( 그림 3참조). 이러한 부품 PDMS 대체 될 수 있습니다.
- 잘라 양이온 교환 막 127 µ m의 평균 두께 20 x 30 m m 상자 절단기 또는 수술 칼을 사용 하 여 그림 3과 같이.
- 100을 적용 하 여 15 분에 대 한 순수한 물에 각 부분을 ultrasonicate W.
- 그림 3에서 보듯이, 핀셋을 사용 하 여 챔버 사이 양이온 교환 막을 삽입 합니다. 이 다양 한 농도의 2 전해질 솔루션을 별도 것입니다.
- 누르고 챔버와 유리 접시의 크기는 너비와 길이 38 m m 26 m m와 양이온 교환 막의 스택 인감.
-
솔루션의 준비
- 준비는 1 x 10−2 mol/L 트리 스에 1.01 µ m의 평균 직경의 폴리스 티 렌 입자의 분산 (hydroxymethyl) aminomethane ethylenediaminetetraacetic 산 (트리 스-EDTA) 버퍼 솔루션, 볼륨 비율 1 x 10−2에 조정 된다 vol %.
- KCl의 1 mol/L과 트리 스-EDTA의 1 x 10−2 mol/L의 혼합물을 준비 합니다.
- 하단과 상단 챔버로 트리 스-EDTA/폴리스 티 렌 입자 그리고 트리 스-EDTA/KCl 솔루션을 각각 주사, 주사기 바늘을 통해 약 실의 측 벽에서 삽입.
참고: 각 챔버에 주입 하는 솔루션의 수량 약 210 µ L입니다. - 솔루션은 이온 농도 차이 상위 및 하위 레이어를 휴식 이온의 확산으로 인해 equilibrated 때까지 약 18 h에 대 한 기다립니다.
참고: 확산 과정에서 K+ 위 솔루션에서 및 H+ 막에 있는 것으로 예상 된다 침투 막 첫 번째, 그리고 Cl− 그들을 따를 것으로 예상 된다.
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실험 설정 및 측정 시스템
- 거꾸로 한 현미경의 스테이지의 손으로, 그림 3에서 보듯이, 단계 2.1에서에서 개발 하는 실험 장치를 설정 합니다. 현미경 입자 움직임의 궤적을 모니터링 하 고 컴퓨터의 관측 데이터를 기록 하는 고속 CMOS 카메라에 연결 합니다.
- 2 V 6의 전기 전위차 적용 전원 소스로 함수 발생기를 사용 하 여 두 전극 사이 s.
- EHD 흐름 이온 수송에 의해 유도 된다 확인, 계40을 사용 하 여 이온 전류를 동시에 측정 합니다.
- Velocimetry (PTV) 방법39추적 입자에 의해 입자의 기록 된 궤적을 분석 합니다.
참고: 관찰, 후 EHD 흐름 속도 입자의 변위를 추적 하는 속도 숫자로 평가 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 가능한 PTV 메서드에 의해 평가 됩니다. PTV 분석 널리 사용 되 고 계산의 절차는 소프트웨어 및 사용 중인 운영 체제에 따라 달라 집니다 있기 때문에 PTV 방법 및 사용 방법에 대 한 자세한 내용은 여기 생략 됩니다.
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Representative Results
그림 4 (비디오 그림) 프로토콜의 1 단계에 따라 이온 수송 통로 채널에 액체 흐름을 유도 하는 고 농도 양이온의 정류에서 발생 하는 EHD 흐름 세대의 대표적인 결과를 선물 한다. 그림 5 는 PIV 분석 결과 20 데이터 채널의 중앙 점 (y = z = 0 m m)를 평균 했다. 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션 때 2.2 V의 전위는 t 에 적용 된 경우 5 = s, 피크 값을 신속 하 게 증가 하는 추적 입자의 속도. 그 후, 속도 감소 하 고 0에 수렴. 최고 속도 도달 근처 2 m m/s. 이것은 음이온 교환 막과는 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션을 사용 하 여 생성 하는 EHD 흐름의 일반적인 결과 이다.
그것은 또한 추적 입자의 전기 이동 전송 속도 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션38,39에서 액체 흐름의 최대 속도 보다 훨씬 낮은 확인 되었다. EHD 흐름의이 이런 OH− 멤브레인과 Na+ H+ 흐름 채널에 집중 음이온에 대 한 보상을 통해 전달 하 여 끌고 반전된 흐름의 구성으로 간주 됩니다 문학39에서 설명 했 듯이, 막에 있는 수송. 로 농도 감소, 전송 동작 느린 되 경향이 있었다. 즉 기간-속도 피크에 도달할 때까지-부패 시간 더, 감소 하는 속도의 피크 값 것 같았다. 이 결과 표시는 그 모션 전기 세력에 의해 주도 되었다 하는 이온의 수 감소, 그리고 결과적으로, 액체에 전기 몸 힘도 감소 되었다.
한 중요 한 관측은 지속적인 이온 전류 정류 이온 선택적 인터페이스에 의해 발생 한 방향으로 끌 수 용 매 분자가 개발 액체 흐름 발생. 이 경우에, 액체 흐름 채널에 역방향 흐름을 발생 하는 음이온 교환 막 건너 이온 농도 분극에 의해 강화 되었다 가능성이 있다. 이 시점 이전 연구39에 이미 언급 되었다. 그것은 AC 필드 방향을 주기적으로 변경 하는 액체 흐름 제어 효과적인도 했다 해야 했다. 현재 EHD 흐름 나+ 이온;의 한정 된 수 때문에 과도 응답을 제한 했다 2.2 V의 적용된 전압 물 전기 분해를 유도 하기에 충분 했다 하더라도이 상황 꾸준한 양이온 전류를 유지 하기 위해 도움이 되지 않았습니다. 일정 한 EHD 흐름을 생성 하기 위해 이온 종 이온 전류의 지배적인 운반대와 용 매 분자를 끌어 제안 한다. 자세한 내용은 우리의 미래의 작업에 확인 됩니다. 여기, 우리는 이온 수송 경로 조정 하 여 NaOH 솔루션에서 유도 될 수 있는 한 EHD 흐름의 대표적인 결과를 소개 했다. 농도 종속성 및 전기 잠재적인 차이 대 한 정보 또한 야 노도, 그리고 카와 노37,38 , 야 노, 시 라가도, 그리고 카와 노39에 의해 설명 되어 있습니다.
그림 6 (비디오) 그림 이오니아 현재 조건 하에서 전기 편광 솔루션 생성 EHD 흐름의 대표적인 결과입니다. EHD 흐름의 속도 응답도 같이 그림 7에 단일 입자 흐름 채널의 중앙 추적 하 여 얻은 전형적인 결과 추적 입자를 추적 하 여 분석 했다. T 에서 2 V의 전기 잠재력은 적용 하는 때 2 8 = s, 폴리스 티 렌 입자 적용된 전기 분야에 반응. T = 2 s, 신속 하 게 해당 부정적인 비용의 전기 이동 전송 하 뒤로 방향에서 translocated 입자. 짧은 시간 반응 후 앞으로 방향 및 속도를 변경 하는 흐름 전기 잠재력 설정 될 때까지 30 µ m/s에서 안정 되었다.
이 기간에 부정 청구 폴리스 티 렌 입자 긍정적인 책임의 전송의 방향으로 이동합니다. 일반적으로, 방향 수 없습니다 되돌릴 수 저절로 단방향 전기 분야에서 입자의 표면 전 완전히 카운터 양이온에 의해 차폐 했다 경우에. 따라서,이 결과 표시 솔루션에 분산 하는 양이온 점차적으로 액체 흐름을 개발 했다 용 매 분자를 끌어 전기장에 따라 또한 electrophoretically 수송 되었다. 음 전 높은 솔루션을 배포 하는 양이온에 기인한 전기 힘 보다 더 강한 입자 표면에 집중 하 고, 따라서, 첫째로 부정적인 방향으로 전송을 몰 았다. 그 후, 양이온 전류에 의해 끌려 액체 흐름 입자에 드래그 힘 증가. 이 정권에서 속도 그라디언트 실제로 y따라 관찰 했다-흐름 방향 및, 따라서, 액체 흐름 세대에 수직인 축 실제로 확인 되었다.
EHD 흐름에 의해 영향을 폴리스 티 렌 입자의 행동 또한 이전 연구에서 평가 되었다 그리고 그것은 EHD 흐름의 속도 증가 이온 전류에 비례 증가 발견 했다. 이후 그들은 거의 균일 한 채널에 equilibrated 하 이온 배포판에 대 한 이러한 오랜 시간이 걸리는 때문에 외부 전기 분야를 적용 하기 전에 이상의 18 h의 대기 시간 일정 EHD 흐름 유도 대 한 가장 중요 한 요소입니다. 그 결과, Poiseuille 같은 흐름 패턴 꾸준히 관찰 하 고. 다른 한편으로, 우리 수 확인 하지 꾸준한 흐름 대기 시간 균일 한 이온 배포판을 달성 하기에 충분 했다.
일정 속도 관찰 한 후 전기 잠재력 해제 되었다 t = 8 s. 여기, 신속 하 게 변경 하려면 전기 전위차 2에서 0 V, 차폐 전극 두 전극 표면 동등한 수 있도록 전기 잠재력의 과도 한 응용 프로그램에 필요할 수 있습니다. 그 과정에서 이온 전극 표면 근처 높은 집중에 결과 반대 이온 전류 불쾌 전기 힘 받을. 특히, 낮은 레이어를 생성, 액체 흐름을 발생에 지배적인 양이온 전류 및 뒤로 방향으로 과도 응답 실제로 관찰 되었다 실험 결과, 즉시 나타난 때에 전기 잠재력 해제 하 고 0 µ m/s에 융합 되었다. EHD 흐름 세대에 이러한 프로세스가이 실험에서 일반적인 했다. 안정적인 EHD 흐름 옆 역방향 흐름 전기 잠재력을 전환할 때 관찰 하 고 오프도 재미 있습니다. 과도 응답, 전극 표면에 전기 화학 반응을 가능 하 게 외부 전기 잠재력을 적용 뿐만 아니라 잠재적인 확산을 유도 하는 과감 한 이온 농도 기온 변화도 발생할. 이러한 복잡 한 이온 수송 현상 아직 되지 않은 충분히 명백 하 게 하 고, 따라서 작동은 앞으로 해결 해야 할 주제.
EHD 흐름 생성의 메커니즘 개요로 그림 8에 표시 됩니다. NaOH 솔루션에 유도 하는 EHD 흐름은 그림 8는, 그림 4의 경우에 해당에 표시 됩니다. EHD 흐름 채널에서 나+ 에 의해 끌려 오− 음이온 교환 막에서의 수송에 의해 트리거됩니다. 정한 흐름은 질량 플럭스 댐핑, 운동량 플럭스 댐핑, 표면 이동성 및 전극 표면의 electrowetting 분산에 의해 발생 합니다. 음이온 것 들 보다 더 지배는, 양이온 현재 조건 하에서 유도 하는 EHD 흐름의 또 다른 메커니즘은 그림 8b에 표시 됩니다. K+ 이온 먼저 양이온 지배적인 조건을 일으키는 양이온 교환 막 침투 그리고, 그 결과, EHD 흐름 따라 양이온 전류 유도 된다.
위에서 설명한 전기 잠재력의 응용 프로그램을 줄여 이오니아 현재 조건 하에서 전기 편광된 상태를 유지 하는 것은 꾸준한 EHD 흐름을 생성 열쇠 이다. 몇 볼트 충분할 수 현재 메서드를 사용 하 여 유도 EHD 흐름은 수성 해결책에서 물 전기 분해는 용 매 분자 전해질 이온에서 기세 전송 향상 지속적인 이온 전류를 유지 하기 위해 필요한.
그림 1 : EHD 흐름 관찰에 대 한 실험적인 체제의 사진. 동작 추적 입자의 고속 카메라, 컨트롤러에는 탄도 기록에 연결 하는 현미경에 의해 추적 됩니다. 전기 잠재력은 potentiostat 또는 DC 전원 소스를 사용 하 여 적용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 : 실험 장치의 회로도 그림. PDMS의 흐름 채널 음이온 교환 막에 고정 하 고 NaOH 용액으로 가득. Au 전극 솔루션의 양쪽 끝에 배치 됩니다. 좌표 원점 평방 흐름 채널의 중심에 설정 되어 있고 관찰 영역 x 근처 xy 평면에서 = 0.75와 z = 0 m m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 전기 편광 솔루션에서 양이온 끌고 EHD 흐름 유도를 실험적인 체제 및 장치의 회로도의 사진. 1 mol/L KCl과 1 x 10−2 mol/L 트리 스-EDTA 버퍼 솔루션 및 1 x 10−2 vol % 폴리스 티 렌 (PSt) 입자 분산을 1 x 10−2 mol/L에서 트리 스-EDTA 버퍼 솔루션 양이온 교환 막으로 분리 되어 어디의 평균 직경 PSt 입자는 1.01 µ m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 (비디오 그림): Na+ 이온의 수송에 의해 구동 하는 EHD 흐름의 영화 흐름 채널에 집중. 2.2 V의 전위는 t 에 적용 될 때 추적 입자는 전기장의 방향을 따라 전송 = 5 s. 마이너스로 충전 된 폴리스 티 렌 입자는 양이온 전류에 의해 구동 하는 EHD 흐름에 음극 측에 주어진 다 채널입니다. 경우에 1 x 10− 1 mol/L NaOH 솔루션, 2 mm/s 근처 피크 속도 도달 빨리 0 부패는 전기 잠재력, 그리고 속도 연속적으로 적용 후. 이 비디오를 보려면 여기 클릭 하십시오 (다운로드 오른쪽 클릭.)
그림 5 : EHD 흐름의 응답 흐름 채널에서 관찰의 기록된 영화에 대 한 PIV 분석 결과 그림 4. 속도 응답 (파란색 실선) 채널의 중심에서 가까운 20 포인트의 평균에 의해 얻은 (y = z = 0 m m). 속도 5 2.2 V의 전기 전압을 적용 한 후 신속 하 게 증가 s 0 mm/s 점차 수렴 하는 고. 인가 전압의 순서는 빨간색 파선으로 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 (비디오 그림): 양이온 교환 막 사용 하 여 1 mol/L KCl 솔루션 및 폴리스 티 렌 분산 분리 EHD 흐름의 영화는 전기 편광된 솔루션에서 관찰. T 에서 2 V의 전기 잠재력을 적용 2 8 = s, 추적 입자의 전송 반영 양이온 전류에 의해 구동 하는 EHD 흐름. 일정 흐름 속도 잠재력의 적용 하는 동안 30 µ m/s에 도달합니다. 또한, 입자 또한 짧게 응답 부정적인 방향으로 되어 있을 때 전기 잠재력에 끄고 전기 충전 입자의 움직임에 첫째로 영향을. 이 비디오를 보려면 여기 클릭 하십시오 (다운로드 오른쪽 클릭.)
그림 7 : 그림 6의 기록된 영화에 대 한 PTV 분석 결과 EHD 흐름의 응답 채널, 관찰. 속도 응답 (파란색 실선)는 채널의 중앙 단일 입자를 추적 하 여 얻은 했다. 인가 전압의 순서는 빨간색 파선으로 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8 : 설계도의 EHD 흐름 그림 4 및 5에 해당 하는 세대 메커니즘 (패널)와 6, 7 (패널 b). (a) 액체 흐름을 EOF 막에 있는 OH− 교통 유도 나+ 전송 채널에 의해 끌려 흐름을 유발 하는 음이온 교환 막으로 분리 되 고 일부는 NaOH 용액에 유도 된다 댐핑, 댐핑, 운동량 플럭스 질량 플럭스와 낭비 성과 electrowetting 전극 표면의 표면. (b)는 양이온 전류는 음이온 전류 보다 더 지배적인 K+ 첫째로 물 관련 된 일정 한 현재 조건 하에서 양이온에 의해 끌려 액체 흐름에 기여 하는 양이온 교환 막 침투 하기 때문에 전기 분해입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
이 연구의 목적은 양이온 및 음이온 공간 분포와 전송 번호 수성 해결책에서 분리 했다. 사용 하는 음이온 교환 막, 음이온과 양이온의 전송 수 조정 될 막 및 흐름 채널 침투 막, 각각. 또는, 높고 낮은 농도 솔루션 분리는 양이온 교환 막 상당한 대기 시간 후 전기 편광된 솔루션을 생성 했습니다. 그 결과, 정류 이온 전류 이온 끌고 EHD 흐름 유도 되는 전압을 감소 시키기에 성공 했다.
여기에 제시 된 방법 극 지 비 솔루션 전기 료를 주입 하는 kV의 높은 전압을 필요로 하는 기존의 방법에 비해 낮은 응용 프로그램 전압 수성 솔루션에 대 한 사용할 수 있습니다. 그것은 EHD 흐름은 극 지 비 솔루션 뿐만 아니라 수성 솔루션에 효과적을 명확히 했다.
그러나, 현재 메서드는 물 전기 분해의 이상적인 잠재력 1.23 V로 알려져 있다 지속적인 이온 전류를 유지 하기 위해 물 전기 분해에 따라 달라 집니다. 따라서, O2 와 H2 거품 액체의 속성을 변경 하는 생성을 피하기 위해 적용 된 전압에 한계가 있다. 이 한계를 극복 하는 전극 및 전해질 솔루션의 솔루션에 이온 전류를 생성 하기 위해 전극 표면에서 화학 반응 설정에 적절 하 게 결정 해야 합니다. 모든 재판에서 전극 표면 한다 닦 고 전기 화학 반응을 강화 솔루션에 강한 전기장을 드러냈다.
이 연구에서 이온 교환 막의 사용 이온 종의 전송 경로 바로 잡기 위해 제시 되었다. 다른 한편으로, EHD 흐름 생성의 효율성 세포 막의 기능에 의존 하는 것 같았다. 프로토콜에서 설명 했 듯이, 이온의 확산 안정 될 때까지 상당한 대기 시간이 걸립니다. 따라서, 전처리 막의 전도도 증가 EHD 흐름 생성의 효율성 향상에 결정적 이다. 외부에서 인가 되 전기 분야에서 이온 현재 조건 유지, 이온의 물성 개선, 그리고 전기 편광된 상태를 효과적으로 달성 하는.
미래에, 수성 해결책의 EHD 흐름 액체 흐름 제어 시스템 EOFs와 같은 결합 하는 마이크로-및 nanofluidic 장치에 적용할 수 있도록 예상 된다. 또한, 의료 기기, 어떤 이온 수송에 생물학 세포를 자극 하 고 변환, 신호 하는 중요 한 역할에 대 한 응용 프로그램은 또한 도전.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
저자 아무 승인 있다.
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 |
References
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