Summary
A rectificação de vias de transporte do íon é um método eficaz de gerar fluxos de electrohydrodynamic de íon-arrastado unidirecional. Definindo uma membrana de troca iônica em um canal de fluxo, uma condição eletricamente polarizada é gerada e faz com que um fluxo de líquido a ser conduzido quando um campo elétrico é aplicado externamente.
Abstract
Para conduzir electrohydrodynamic (DHE) flui em soluções aquosas, a separação das vias de transporte de cátion e ânion é essencial porque uma força dirigida corpo elétrico tem que ser induzida por movimentos iônicos em líquido. Por outro lado, cargas positivas e negativas se atraem, e electroneutrality é mantida em todos os lugares em condições de equilíbrio. Além disso, um aumento em uma tensão aplicada tem de ser suprimido para evitar a electrólise da água, que faz com que as soluções tornar-se instável. Geralmente, EHD fluxos podem ser induzidos em soluções não-aquosas aplicando extremamente altas tensões, como dezenas de kV, para injetar as cargas elétricas. Neste estudo, dois métodos são introduzidos para gerar fluxos EHD induzidos por separações de carga elétrica em soluções aquosas, onde duas fases líquidas são separadas por uma membrana de troca iônica. Devido a uma diferença na mobilidade iônica na membrana, polarização de concentração do íon é induzida entre os dois lados da membrana. Neste estudo, demonstramos dois métodos. (i) o relaxamento de gradientes de concentração iônica ocorre através de um canal de fluxo que penetra uma membrana de troca iônica, onde o transporte das espécies mais lentos na membrana seletivamente se torna dominante no canal de fluxo. Esta é uma força motriz para gerar um fluxo de DHE no líquido. (ii) um longo tempo de espera para a difusão de íons, passando através da membrana de troca iônica permite a geração de um fluxo de iões-arrastado externamente aplicando um campo elétrico. Íons, concentradas-se em um canal de fluxo de2 seção 1 x 1 mm determinam a direção do fluxo de líquido, as vias de transporte eletroforético correspondente. Em ambos os métodos, a diferença de tensão elétrica necessária para uma geração de fluxo EHD é drasticamente reduzida para perto 2 V da retificando as vias de transporte de íons.
Introduction
Recentemente, técnicas de controle de vazão de líquidos têm atraído muita atenção por causa de juros nas aplicações de microe nanofluidos dispositivos1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. em soluções polares, tais como soluções aquosas e líquidos iônicos, íons e eletricamente partículas carregadas geralmente trazem sobre cargas elétricas em fluxos líquidos. O transporte de tais partículas polarizadas fornece uma expansão de várias aplicações, tais como manipulação de único-molécula6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17,1812,dispositivos do diodo íon e o fluxo líquido de controle19,20,21,22. Fluxo de DHE desde um fenômeno aplicável para sistemas de controle de vazão de líquidos Stuetzer1,2 inventou a bomba de arraste de íons. Melcher e Taylor3 publicou um artigo importante em que o quadro teórico de fluxo EHD bem foi revisado e algumas experiências de destaque também foram demonstradas. Saville4 e seus colegas de trabalho23,24 contribuíram para a expansão do seguinte das tecnologias EHD em líquidos. No entanto, houve algumas limitações para induzir fluxos líquidos, impulsionados por forças elétricas, porque dezenas de kV têm de ser aplicadas em líquidos para injetar as cargas elétricas nas soluções não-polares, tais como óleos, polarizar os1,2 , 3. esta é uma desvantagem para soluções aquosas, porque a electrólise da água que é induzido por um potencial elétrico superior 1,23 V altera as características das soluções e faz com que as soluções instáveis.
Em canais de microe nanofluidos, cargas de superfície das paredes do canal causam a concentração dos counterions que efetivamente induzir fluxos de electroosmotic (EOFs) sob aplicados externamente campos elétricos25,26,27 ,28,29. Usando EOFs, algumas técnicas de bombeamento de líquido foram aplicadas em soluções aquosas, reduzindo as tensões elétricas30,31,32. Por outro lado, EOFs limitam-se a ser gerado no micro e nanospaces, em que áreas de superfície se tornam mais dominantes que volumes de líquido. Além disso, dependendo do transporte de íons altamente concentrados de muito perto as superfícies de parede, tais como em camadas dobro elétricas, o limite de deslizamento só faz com que o fluxo de líquido, que pode não ser suficiente para fazer de gradientes de pressão7, 8 , 22 , 26 , 27. fine tuning, tais como dimensões do canal e concentrações de sal, é necessária para as aplicações de EOF. Em contraste, EHD flui impulsionado pelo corpo forças parecem estar disponíveis para o transporte de massas e energias se as tensões de aplicação podem ser reduzidas para evitar a degradação de solventes. Recentemente, alguns pesquisadores sugeriram aplicações de fluxos EHD com baixas tensões33,34,35,36. Embora essas tecnologias ainda não foram implementadas, as fronteiras são esperadas para expandir.
Em estudos anteriores, também foi realizado trabalho experimental e teórico na EHD fluxos em soluções aquosas37,38,39,40. Era suposto que a rectificação de vias de transporte do íon foi eficaz para gerar soluções eletricamente carregadas que causam as forças de corpo elétrico sob campos elétricos. Usando uma membrana de troca iônica e um canal de fluxo que atravessam a membrana, fomos capazes de retificar correntes iônicas. Ao aplicar uma membrana de troca aniónica, cátions concentraram no fluxo do canal arrastou os solventes e desenvolvido um EHD fluxo37,38,39. Uma diferença na mobilidade da espécie iônica foi um fator importante ao separar as correntes catiônicas e aniônicas. Membranas de troca iônica efetivamente trabalharam para modular a mobilidade devido a seletividade de íons. Fenômenos de transporte de íons também foram investigados do ponto de vista da densidade de corrente iônica influenciada pela aplicação de campos elétricos41. Estes estudos têm sido frutíferos para o desenvolvimento de técnicas de manipulação de moléculas simples, ou seja, micro e nanopartículas, cujos movimentos são fortemente afetados por flutuações térmicas11,16,17 . EOFs e EHD fluxos são esperados para expandir a variedade de métodos de controle de fluxo de precisão, bem como gradientes de pressão.
Neste estudo, demonstramos dois métodos para unidade EHD fluxos em soluções aquosas. Em primeiro lugar, uma solução de NaOH é usada para um fluido de trabalho para conduzir um EHD fluxo37,38,39. Uma membrana de troca aniónica separa o líquido em duas partes. Um canal de fluxo do polydimethylsiloxane (PDMS) com uma secção transversal de 1 x 1 mm e um comprimento de 3 mm penetra a membrana. Aplicando um potencial elétrico de 2.2 V, o transporte eletroforético de at+, H+e OH− íons é induzido ao longo de campos elétricos. Uma membrana de troca aniónica e um canal de fluxo trabalham eficazmente para separar as vias de transporte de íons, onde ânions predominantemente passam através da membrana e cátions concentrar-se no canal de fluxo, embora ambas as espécies geralmente se movem em direções opostas, manter o electroneutrality. Assim, tal condição não causa uma força motriz para fluxos líquidos. Essa estrutura é fundamental para gerar um fluxo de DHE, cuja velocidade de fluxo atinge na ordem de 1 mm/s no canal porque altamente concentrada cações aceleradas por campos elétricos externos arrastar moléculas de solventes. EHD fluxos são observados e gravados, usando um microscópio e uma câmera de alta velocidade, como mostrado na Figura 1. Em segundo lugar, uma diferença de concentração entre duas fases líquidas separadas por uma membrana de troca iônica provoca uma condição eletricamente polarizada ser gerado atravessar uma membrana de troca iônica40. Neste estudo, encontramos a importância de um considerável tempo de espera para equilibrar as distribuições de íon e um potencial elétrico correspondente, que causam preferíveis condições aplicar uma força de corpo em um líquido. Atravessando a membrana de troca iônica, é alcançada uma condição fracamente polarizada. Em tal condição, um campo elétrico aplicado externamente induz transporte de íon direcional que gera uma força de corpo em um líquido, e como resultado, a transferência dinâmica de íons para o solvente desenvolve um fluxo EHD.
Como mencionado acima, os dispositivos presentes conseguir diminuir drasticamente a diferença de tensão aplicada a alguns volts, e, portanto, esse método é pode ser usado para soluções aquosas, embora os métodos de injeção de carga elétrica convencional exigido dezenas de kV e limitam-se a um aplicativo para soluções não aquosos.
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Protocol
1. EHD fluxo induzido pelo transporte de íon retificado
- Desenvolvimento de um dispositivo de canal de fluxo para rectificar as vias de transporte de íons
- Fazer um molde PTFE do reservatório:
- Cortar uma 13 x 30 x 10 molde de3 mm de um bloco de politetrafluoretileno (PTFE) usando uma máquina de trituração (ver Figura 2). Em alternativa, adquira um produto feito sob medido.
- Placas de acrílico de 15 x 18 x 1 mm3 em ambas as extremidades do molde de PTFE com um adesivo de plástico, que irá fazer fendas no reservatório para acertar os polarização eletrodos de aderir. Estas peças podem ser cortadas de um prato grande ou compradas.
- Respeitar as placas de acrílico de 13 x 30 x 1 mm3 nas superfícies superior e inferior do molde de PTFE com um adesivo plástico tornar superfícies planas para observação clara.
- Misture um agente do silicone de elastômero base e cura na proporção de 10:1 em um tubo de 50 mL e agitar o tubo com a mão.
- Resolver o PDMS líquido em um recipiente a vácuo e desgaseificá-lo usando uma bomba rotativa.
- Retire o tubo do vaso. Despeje o PDMS um 40 x 50 x 24 mm3 plástico navio para moldar a forma exterior do reservatório e coloque o molde do reservatório (ver passo 1.1.1) nele.
- Asse o corpo inteiro do líquido PDMS em uma chapa de fogão a 80 ° C, durante cerca de 4 h.
- Depois a cozer, isole o reservatório PDMS partir o molde PTFE e o navio exterior à mão. Faça um corte em todo o centro do reservatório, usando uma faca cirúrgica. Isto será usado para colocar as bordas de uma membrana de troca aniónica (preparado na etapa 1.1.16) usando uma pinça.
Nota: O reservatório PDMS é cheio de soluções de eletrólitos mais tarde, como mostrado na Figura 2. - Obter placas de vidro (feitas por encomenda especial) com uma forma circular de 18 mm de diâmetro ou em um quadrado com arestas de 18 mm.
- Lave as placas de vidro embebendo-os em acetona, etanol e água pura (nessa ordem) em um banho de ultrasonication para 15 min cada.
- Qualquer líquido residual com uma pistola de ar de sopro ou aquecer as placas de vidro com uma placa de aquecimento durante 5 min à cerca de 473 K.
- Usando a frequência de rádio que sputtering, revestir a superfície de vidro com Cr ou Ti exposta ao plasma de Ar por 1 min em 75 W e sucessivamente, depositar uma película fina de Au por 5 min em 75 W, definindo a espessura de aproximadamente 100 nm.
Nota: Antes do revestimento da superfície de vidro com os metais de alvo, as amostras foram definidas em uma câmara de vácuo que foi evacuada com uma bomba giratória e uma bomba de difusão molecular, até que a pressão diminuiu para 1 x 10− 2 PA. - Solde uma pista sobre a superfície do eletrodo Au usando um ferro de solda.
Nota: A forma do eletrodo Au possivelmente pode ser substituída por quadrados e fios helicoidais, manutenção de áreas de superfície grandes o suficiente para gerar correntes iônicas. - Com uma pinça, defina as placas de vidro revestidas com uma película fina de Au em ambas as extremidades do reservatório. Estes são os eletrodos de viés.
- Corte uma membrana de troca aniónica em uma forma retangular de 20 x 18 mm2 , usando a tesoura. Uma superfície de 13 mm de largura e 10 mm de altura é exposta a um líquido. Aqui, um estilete ou uma faca cirúrgica também pode ser usada para cortar a membrana.
- Corte um pedaço retangular de 3 x 5,5 mm2 de uma borda da membrana com uma tesoura.
Nota: A espessura da membrana permutadora é 220 µm. A membrana é facilmente cortada com uma tesoura ou um estilete. As bordas da membrana são parcialmente corrigidas com as fendas na câmara. - Solidificar um bloco PDMS com uma vareta de aço inoxidável de seção2 1 x 1 mm da mesma forma como em passos 1.1.4 - 1.1.5, para criar um canal de fluxo que penetra a membrana. Deixe a construção durante a noite e em seguida, puxe a vareta de aço inoxidável fora do bloco PDMS.
- Cortar o PDMS bloco com um canal de fluxo quadrado em um 3 x 6 x 4,5 mm peça (ver Figura 2) usando uma faca cirúrgica. Faça fendas ao longo das bordas exteriores e, em seguida, anexá-lo à membrana dentro o recorte retangular.
Nota: A face superior do canal deve ser definido horizontalmente para uma clara observação das partículas no fluxo canal através de parede transparente.
- Fazer um molde PTFE do reservatório:
- Preparação de soluções e pré-tratamentos para experimentos
- Prepare soluções aquosas de NaOH em concentrações de 1 x 10− 1, 1 x 10− 2e 1 x 10− 3 mol/L diluindo a solução-mãe.
- Fazer em média uma dispersão de partículas de poliestireno de 2,93 µm de diâmetro em cada uma das soluções de NaOH preparadas na etapa 1.2.1 definindo a concentração para 4.2 x 10− 3 vol %.
Nota: O tamanho das partículas de rastreamento pode ser alterado adequadamente para melhorar observabilidade. - Ultrasonicate da membrana formatado permutadora de 20 x 18 mm2 com uma fenda de 3 x 5,5 mm2 2 x por 10 min em água pura a uma potência de 100 w.
- Com uma pinça, defina a membrana de troca aniónica com o canal de fluxo PDMS para o reservatório PDMS. Encha o reservatório com 4 mL de solução de NaOH usando uma micropipeta.
Nota: O canal de superfície e fluxo de membrana estão imersos na solução, onde a superfície da membrana exposta à solução é pelo menos 100 x maior do que a seção transversal do canal de fluxo. - Aplica um potencial elétrico de 2.2 V usando uma fonte de alimentação de DC em direções para a frente e para trás por 2 h em série, para melhorar a condutividade da membrana antes de observação.
- Retire os eletrodos Au com uma pinça. Remova a solução de reservatórios utilizando uma micropipeta.
- Defina novos eletrodos Au dos reservatórios com uma pinça. Encha os reservatórios com 4 mL de solução de NaOH usando uma micropipeta. Inicie as observações quando a solução é incubada.
Nota: Pode levar alguns minutos de tempo de espera até que a convecção natural acalme, que pode ser julgado por observar o comportamento de partículas de traçador.
- Sistemas de instalação e medição experimentais
- Definir a taxa de quadros e o tempo de exposição de uma câmera de alta velocidade metal-óxido-semicondutor complementar (CMOS) para 500 fps e 1 ms, respectivamente.
Nota: Conforme mostrado na Figura 1, o dispositivo experimental situa-se no palco de um microscópio, conectado a uma câmera CMOS de alta velocidade para gravar os movimentos de partículas. A vista é ampliada em um monitor com uma lente de 100 X 15. - Remova quaisquer bolhas do canal, inserindo a ponta de uma micropipeta no final canal para empurrar ou puxar para fora, antes de aplicar um potencial elétrico.
- Externamente, aplica um potencial elétrico de 2.2 V para os eletrodos de viés Au. Monitore simultaneamente as respostas elétricas usando um potentiostat ou uma fonte de alimentação DC com um multímetro digital.
Nota: O valor de tensão é determinado como o limite superior, evitando a electrólise da água que gera O2 e H2 bolhas na solução. - Registre o comportamento das partículas traçador no computador.
- Medir uma diferença de potencial elétrica entre ambas as extremidades do canal de fluxo, usando eletrodos de sonda Au e um multímetro digital para confirmar que o gradiente de concentração de íons desencadeia um fluxo de DHE38,39.
- Determine a origem do sistema de coordenadas cartesianas no centro do canal.
Nota: O x- axis é na direção longitudinal do canal do fluxo e o y- e z-eixos são nas direções horizontais e verticais em secção transversal do canal, respectivamente, como mostrado na Figura 2. O canal PDMS transparente permite que o líquido passa a ser visualizado ao longo do x-axis. A vista é focada no plano XY em z = 0, controlando a profundidade de foco. Os dados de fluxo são independentes de x na seção teste exceto perto de entrada e saída do canal, e o ponto de observação é fixado em cerca de 0,75 mm a jusante da origem, tal que x = 0,75, y = 0 e z = 0 mm. - Depois de uma única medição (de 15 s), os eletrodos de curto-circuito, ligando-os aos outros com uma pista por 20 min até que a solução é incubada.
- Em seguida, mover a totalidade da solução para outro recipiente (por exemplo, um frasco de amostra de 10 mL) e agite-o com uma micropipeta.
- Despeje a solução agitou a câmara novamente usando uma micropipeta quando executa iterativamente a experiência.
Nota: Após a observação, a velocidade de fluxo EHD é avaliada usando a partícula image velocimetry (PIV) método39, que pode ser feito usando o software apropriado para rastrear o deslocamento de partículas e avaliar numericamente a velocidade. Uma explicação detalhada dos métodos PIV e como usá-los é omitida aqui porque análises PIV têm sido amplamente utilizadas e os procedimentos de cálculos dependem do software e sistema operacional que está sendo usado.
- Definir a taxa de quadros e o tempo de exposição de uma câmera de alta velocidade metal-óxido-semicondutor complementar (CMOS) para 500 fps e 1 ms, respectivamente.
2. a observação dos fluxos EHD induzida em cátion
-
Desenvolvimento de dispositivo experimental
- Forma eletrodos de viés Au com uma superfície de2 26 x 10 mm na placa de vidro de fundo de acordo com procedimentos semelhantes aos descritos anteriormente em etapas 1.1.5 - 1.1.7.
- Usando a frequência de rádio que sputtering, revestir uma superfície de vidro com Cr ou Ti exposta ao plasma de Ar por 2 min em 75 W e depositar uma película fina de Au por 5 min em 75 w.
Nota: Esta forma de eletrodo é determinada fim altamente concentrado campos elétricos na região mais estreita do canal. A relação da superfície do eletrodo, cuja área de 10 x 10 mm2 é exposta a um líquido, para a seção transversal do canal é idealmente 100: 1; Esta relação está prevista para ser suficiente para soltar o potencial elétrico do canal por uma grande quantidade de16. - Solde uma linha de chumbo para uma aresta dos eletrodos, usando um ferro de solda.
- De uma folha de borracha de silicone grande, cortada em 2 câmaras, cada uma composta de um 1 x 1 x 1 canal de fluxo de3 mm colocados entre reservatórios de3 2 10 x 10 x 1 mm, usando uma faca cirúrgica (ver Figura 3). Estas peças podem ser substituídas por PDMS.
- Recortar uma membrana de permuta catiónica com espessura média de 127 µm a 20 x 30 mm, usando um estilete ou uma faca cirúrgica, como mostrado na Figura 3.
- Ultrasonicate cada parte em água pura por 15 min, aplicando 100 W.
- Inserir uma membrana de permuta catiónica entre as câmaras usando uma pinça, como mostrado na Figura 3. Isto separará 2 soluções de eletrólitos de diferentes concentrações.
- Pressione e selar a pilha das câmaras e membrana de permuta catiónica com placas de vidro, cujas dimensões são 26 milímetros de largura e 38 mm de comprimento.
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Preparação das soluções
- Preparar uma dispersão de partículas de poliestireno do diâmetro médio de 1,01 µm em um 1 x 10− 2 mol/L tris (hidroximetil) aminometano etilenodiaminotetracético ácido (Tris-EDTA) solução tampão, onde a relação do volume é ajustada a 1 x 10 − 2 de % vol.
- Prepare uma mistura de 1 mol/L de KCl e 1 x 10− 2 mol/L de Tris-EDTA.
- Injetar a partícula de Tris-EDTA/poliestireno e as soluções de Tris-EDTA/KCl as câmaras superiores e inferiores, respectivamente, através de agulhas de seringa inserido da parede lateral das câmaras.
Nota: A quantidade das soluções injetado em cada câmara é de cerca de 210 µ l. - Espere por cerca de 18 h, até que a solução é equilibrada como resultado de uma difusão dos íons para relaxar a diferença de concentração iônica entre as camadas superiores e inferiores.
Nota: No processo de difusão, K+ na solução superior e H+ na membrana são esperados para penetrar a membrana primeiro e Cl− é esperado para segui-los.
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Sistemas de instalação e medição experimentais
- Defina o dispositivo experimental desenvolvido no passo 2.1 no palco do microscópio invertido com a mão, como mostrado na Figura 3. Conecte uma câmera CMOS de alta velocidade para monitorar as trajetórias dos movimentos das partículas e gravar os dados de observação em um computador, o microscópio.
- Aplicar uma diferença de potencial elétrica de 2 V para 6 s entre os dois eletrodos, usando um gerador de função como fonte de energia.
- Para confirmar que os fluxos EHD são induzidos por transporte de iões, medir as correntes ionic, simultaneamente, usando um amperímetro de40.
- Analise as trajetórias gravadas das partículas pela partícula velocimetry (PTV) método39de rastreamento.
Nota: Após as observações, a velocidade de fluxo EHD é avaliada pelo método de PTV, que é possível usando o software apropriado, para rastrear o deslocamento de partículas e avaliar numericamente a velocidade. Uma explicação detalhada dos métodos de PTV e como usá-los é omitida aqui porque análises de PTV foram amplamente utilizadas e os procedimentos de computações dependem do software e sistema operacional que está sendo usado.
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Representative Results
Figura 4 (figura a) apresenta um resultado representativo de uma geração de fluxo EHD, resultante da rectificação das vias de transporte de íons e cátions altamente concentrados que induziu um fluxo de líquido no canal, de acordo com a etapa 1 do protocolo. A Figura 5 mostra um resultado da análise de PIV, onde 20 dados pontos perto do centro do canal (y = z = 0 mm) foram em média. No caso da 1 x 10− 1 mol/L NaOH solução, quando um potencial elétrico de 2.2 V foi aplicada em t = 5 s, a velocidade das partículas traçador rapidamente aumentada para um valor de pico. Depois disso, a velocidade diminuiu e convergiu para 0. A velocidade de pico alcançado um próximo de 2 mm/s. Este é um resultado típico de um fluxo de DHE gerado usando uma membrana de troca aniónica e um 1 x 10− 1 mol/L de solução de NaOH.
Também foi confirmado que a velocidade de transporte eletroforética das partículas de traçador foi muito menor do que a velocidade de pico do fluxo líquido em 1 x 10− 1 mol/L de38,de solução de NaOH39. Como discutido na literatura39, este tipo de fluxo EHD é considerado consistem de fluxos inverteu arrastados por OH− passando através da membrana e at+ e H+ concentrada-se no canal de fluxo para compensar o ânion transporte na membrana. Como a concentração diminuída, o comportamento de transporte tende a tornar-se mais lento. Isto significa que a duração-até a velocidade atingiu um pico- e o tempo de decaimento parecia estar mais tempo, diminuindo o valor de pico da velocidade. Este resultado indicou que o número de íons cujo movimento foi impulsionado por forças elétricas diminuiu, e consequentemente, a força elétrica do corpo no líquido também foi reduzida.
Uma observação importante é que contínua correntes iónicas retificadas pelas interfaces de íon seletivo causaram moléculas de solventes ser arrastado em uma direção e isso causou um fluxo de líquido desenvolver. Neste caso, há uma possibilidade de que o fluxo de líquido foi reforçado pela polarização de concentração de iões atravessam a membrana de troca aniónica que desencadeou o fluxo reverso no canal. Este ponto já foi mencionado em um anterior estudo39. Era suposto que campos AC também eram eficazes para controlar os fluxos de líquido periodicamente mudando as direções. O presente fluxo EHD foi limitado a respostas transitórias devido ao número finito de íons nd+ ; Esta situação não era propício para manter uma corrente constante de catiônica, mesmo que a tensão aplicada de 2.2 V foi o suficiente para induzir a eletrólise da água. Para gerar fluxos de DHE constantes, propomos arrastando moléculas de solventes, com espécies de íon que são a transportadora dominante da corrente iônica. Mais detalhes serão verificadas em nosso trabalho futuro. Aqui, apresentamos um resultado representativo de um fluxo EHD que poderia ser induzido em soluções de NaOH por rectificação de vias de transporte de íons. Detalhes sobre a dependência da concentração e diferenças de potencial elétricas também são discutidos por Yano, Doi e Kawano37,38 e Yano, Shirai, Imoto, Doi e Kawano39.
Figura 6 (figura a) mostra um resultado representativo do DHE flow gerado em uma solução eletricamente polarizada nas condições atuais iônicas. A resposta de velocidade de fluxo da EHD também foi analisada seguindo as partículas de marcador, como mostrado na Figura 7, que foi um resultado típico obtido por uma única partícula perto do centro do canal de fluxo de controle. Quando um potencial elétrico de 2 V foi aplicado a partir de t = 2 a 8 s, partículas de poliestireno responderam ao campo elétrico aplicado. Em t = 2 s, a partícula rapidamente translocado na direção com versões anteriores, correspondente ao transporte eletroforético de cargas negativas. Depois de uma resposta de curto prazo, o fluxo mudado a direção direta e a velocidade tornou-se constante a 30 µm/s até que o potencial elétrico estava desligado.
Neste período, as partículas carregadas negativamente de poliestireno movido na direção do transporte das cargas positivas. Em geral, a direção pode não ser revertida espontaneamente sob campo elétrico unidirecional, mesmo se a carga superficial das partículas foi totalmente blindada por cátions o contador. Assim, este resultado indicou que dispersos na solução de cátions também electrophoretically foram transportados ao longo de campos elétricos, arrastando moléculas de solventes que se desenvolveu gradualmente um fluxo de líquido. As cargas negativas altamente concentraram na superfície de partículas causada uma força elétrica mais forte por cátions distribuídos na solução e, assim, em primeiro lugar deixou o transporte no sentido negativo. Depois disso, um fluxo de líquido arrastado pela corrente catiônica aumentou a força de arrasto sobre a partícula. Este regime, gradientes de velocidade realmente foram observados ao longo do y-eixo perpendicular à direção de fluxo e, assim, uma geração de fluxo de líquido na verdade foi confirmada.
O comportamento de partículas de poliestireno afectados por fluxos EHD também foi avaliado em um estudo anterior, e verificou-se que a velocidade do fluxo de DHE proporcionalmente aumentada com uma crescente corrente iônica. Um tempo de espera de mais de 18 h antes de aplicar um campo elétrico externo é o fator mais importante para induzir um fluxo constante de DHE, porque leva um tempo para as distribuições de íon ser equilibrada, uma vez que são quase uniforme no canal. Como resultado, padrões de fluxo de Poiseuille-como são constantemente observados. Por outro lado, não confirmamos um fluxo constante quando o tempo de espera não foi suficiente para atingir as distribuições uniforme íon.
Depois de observar uma velocidade constante, o potencial elétrico foi desligado a t = 8 s. Aqui, para mudar rapidamente a diferença de potencial elétrica de 2 a 0 V, os eletrodos blindados podem exigir uma aplicação excessiva do potencial elétrico para fazer com que ambas as superfícies do elétrodo equivalente. Nesse processo, íons altamente concentradas perto as superfícies do elétrodo recebem forças elétricas repulsivas, que se traduzam em invertida iónicas correntes. Especialmente, a corrente catiônica que foi dominante na camada inferior, provocou um fluxo de líquido a ser gerado e uma resposta transitória na direção com versões anteriores foi realmente observado no resultado experimental, que imediatamente quando apareceu o potencial elétrico foi desligado e convergiram para 0 µm/s. Tais processos da geração de fluxo EHD eram típicos neste experimento. Ao lado o fluxo constante de DHE, os fluxos reversos observaram ao ligar o potencial elétrico e fora também são interessantes. Nas respostas transientes, reações eletroquímicas nas superfícies do elétrodo possivelmente causam gradientes de concentração de íon drásticas que induzir a potencial de difusão, bem como aplicado externamente potenciais elétricos. Esse transporte de íon complicados fenômenos ainda não foram esclarecidas suficiente e, portanto, estão sujeitos a serem resolvidos no futuro trabalho.
Os mecanismos de geração de fluxo a EHD são apresentados esquematicamente na Figura 8. Um fluxo de DHE induzido em soluções de NaOH é mostrado na Figura 8um, correspondente ao caso da Figura 4. O fluxo de DHE arrastado por nd+ no canal é desencadeado pelo transporte de OH− em uma membrana de troca aniónica. O fluxo instável é causado pela dissipação devido ao amortecimento de fluxo de massa, impulso flux umedece, superfície mobilidade e electrowetting das superfícies do elétrodo. Outro mecanismo de fluxo de DHE induzido nas condições atuais catiônicas, que são mais dominantes do que os aniônicos, é representado na Figura 8b. Íons K+ primeiro penetram uma membrana de permuta catiónica, causando condições de cátion dominante, e, como resultado, o fluxo EHD é induzido ao longo da corrente catiônica.
Conforme descrito acima, manter condições eletricamente polarizadas nas condições atuais iônicas reduzindo a aplicação dos potenciais elétricos é a chave para gerar fluxos de DHE constantes. Usando os métodos presentes, alguns volts podem ser suficientes induzir a EHD flui em soluções aquosas, embora a electrólise da água é necessário para manter constantes iônicas correntes para aumentar a transferência dinâmica de íons do eletrólito de moléculas de solventes.
Figura 1 : Fotografia da instalação experimental para observação de fluxo EHD. Movimentos de partículas de marcador são rastreados por um microscópio conectado a uma câmera de alta velocidade, gravando as trajetórias no controlador. Potenciais elétricos são aplicados usando um potentiostat ou uma fonte de alimentação elétrica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Ilustração esquemática de um dispositivo experimental. Um canal de fluxo de PDMS é fixo em uma membrana de troca aniónica e preenchido com solução aquosa de NaOH. Au os eléctrodos são colocados em ambas as extremidades da solução. A origem da coordenada situa-se no centro do canal de fluxo quadrados e uma área de observação em um plano xy perto x = 0,75 e z = 0 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Fotografia da instalação experimental e diagrama esquemático de um dispositivo para induzir um fluxo EHD cação-arrastado em uma solução eletricamente polarizada. Um 1 mol/L KCl e 1 x 10− 2 mol/L Tris-solução-tampão de EDTA e uma 1 x 10− 2 vol % poliestireno (PSt) partículas dispersão em um 1 x 10− 2 mol/L Tris-solução-tampão EDTA são separados por uma membrana de permuta catiónica, onde o diâmetro médio de as partículas de PSt é 1.01 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 (figura a): um filme de fluxo EHD conduzido pelo transporte de íons nd+ concentrou-se no canal de fluxo. As partículas de marcador são transportadas na direção do campo elétrico quando um potencial elétrico de 2.2 V é aplicado em t = 5 s. poliestireno carregados negativamente, as partículas são trazidas para o lado do cátodo em um fluxo de DHE impulsionado pelo atual catiônica em o canal. No caso de um 1 x 10− 1 mol/L de solução de NaOH, uma velocidade de pico perto de 2 mm/s é alcançada rapidamente após a aplicação de um potencial elétrico e a velocidade sucessivamente decai a zero. Por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)
Figura 5 : A resposta do fluxo EHD observada no canal de fluxo, resultante da análise PIV para o filme gravado de Figura 4. A resposta de velocidade (linha azul contínua) foi obtida pela média de 20 pontos, perto do centro do canal (y = z = 0 mm). A velocidade é aumentada rapidamente após a aplicação de uma tensão elétrica de 2.2 V em 5 s e gradualmente converge para 0 mm/s. A sequência de tensão aplicada também é mostrada com uma linha tracejada vermelha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 (figura a): um filme de fluxo EHD observada em uma solução eletricamente polarizada, separando uma 1 mol/L KCl solução poliestireno dispersão e usando uma membrana de permuta catiónica. Aplicando um potencial elétrico de 2 V de t = 2 a 8 s, o transporte de partículas de traçador reflete um fluxo EHD, impulsionado por uma corrente catiônica. Uma velocidade de fluxo constante atinge 30 µm/s durante a aplicação do potencial. Além disso, as partículas também brevemente respondem no sentido negativo, quando o potencial elétrico é ligado e desligado, pois a carga elétrica de uma partícula, em primeiro lugar, afeta o movimento. Por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)
Figura 7 : a resposta de fluxo EHD observada no canal, resultante da análise de PTV para o filme gravado da Figura 6. A resposta de velocidade (linha azul contínua) foi Obtida de uma única partícula perto do centro do canal de rastreamento. A sequência de tensão aplicada também é mostrada com uma linha tracejada vermelha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8 : Esquemas de DHE fluxo mecanismos de geração correspondente a figuras 4 e 5 (painel a) e 6 e 7 (painel b). (um) fluxos líquidos são induzidos em uma solução aquosa de NaOH que é separada com uma membrana de troca aniónica, onde EOF induzido por um transporte− OH na membrana provoca um fluxo arrastado por um transporte at+ no canal e é parcialmente dissipou-se com amortecimento de fluxo de massa, mobilidade de amortecimento, superfície de fluxo dinâmica e electrowetting das superfícies do elétrodo. (b) a catiônica corrente é mais dominante do que o atual aniônico porque K+ penetra em primeiro lugar uma membrana de permuta catiónica, que contribui para um fluxo de líquido arrastado por cátions nas condições atuais constantes envolvendo água eletrólise. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O objetivo deste estudo foi separar os cátions e ânions em solução aquosa, em termos de números de transportes e distribuições espaciais. Usando uma membrana de troca aniónica, o transporte de ânions e cátions pode ser retificado na membrana e em um canal de fluxo que penetra a membrana, respectivamente. Alternativamente, uma membrana de permuta catiónica que separados, alta e baixa, soluções de concentração trabalhou para gerar soluções eletricamente polarizadas após um considerável tempo de espera. Como resultado, rectificadas correntes iónicas conseguiram reduzir as tensões aplicadas para induzir fluxos de DHE íon-arrastado.
Os métodos apresentados aqui estão disponíveis para soluções aquosas com tensões de baixa aplicação em comparação com métodos convencionais, que exigem extremamente altas tensões de dezenas de kV para injetar as cargas elétricas em soluções não-polares. Isso foi esclarecido que a EHD fluxos são eficazes em soluções aquosas, bem como soluções não-polares.
No entanto, os presentes métodos dependem de electrólise da água para manter constantes iônicas correntes em que o potencial ideal da electrólise da água é conhecido por ser 1,23 V. Assim, há uma limitação na tensão aplicada para evitar a geração de O2 e bolhas de2 H que alterar as propriedades de um líquido. Para contornar essa limitação, materiais dos eletrodos e soluções de eletrólitos precisam ser apropriadamente determinado conjunto de reações eletroquímicas nas superfícies do elétrodo para gerar correntes iônicas nas soluções. Em cada julgamento, as superfícies de eletrodo devem ser polidas e bared para fazer um forte campo elétrico na solução, aumentando as reações eletroquímicas.
Neste estudo, o uso de membranas de troca iônica foi proposto para rectificar as vias de transporte da espécie iônica. Por outro lado, a eficiência de geração de fluxo EHD parecia depender da capacidade das membranas. Conforme discutido no protocolo, a difusão de íons leva um considerável tempo de espera até que se torne estável. Portanto, o preprocess para aumentar a condutividade das membranas é crucial para melhorar a eficiência da geração de fluxo EHD. Durante a manutenção de condições atuais iônicas em campos de elétricos aplicados externamente, propriedades de transporte de íons são melhoradas, e condições eletricamente polarizadas são efetivamente alcançadas.
No futuro, fluxos de DHE de soluções aquosas são esperados para ser aplicável para sistemas de controle de vazão de líquidos em micro e nanofluidos dispositivos combinados com EOFs e afins. Além disso, aplicativos para os dispositivos médicos, na qual íon transporte tem um papel importante para estimular as células biológicas e sinal de transdução, são também um desafio.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores têm sem confirmações.
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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