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Engineering

Generación y Control de electrohidrodinámicos flujos en soluciones acuosas electrolíticas

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

La rectificación de las vías de transporte de iones es un método eficaz para generar flujos electrohidrodinámicos arrastra iones unidireccional. Colocando una membrana de intercambio iónico en un canal de flujo, un estado eléctricamente polarizado se genera y provoca un flujo líquido ser conducida cuando un campo eléctrico se aplica externamente.

Abstract

Conducir electrohidrodinámicos (EHD) flujos en soluciones acuosas, separación de vías de transporte de catión y anión es esencial porque una fuerza dirigida cuerpo eléctrico tiene que ser inducido por movimientos iónicos en líquidos. Por el contrario, cargas positivas y negativas atraen, y electroneutrality se mantiene en todas partes en condiciones de equilibrio. Además, un aumento de un voltaje aplicado tiene que ser suprimida para evitar electrólisis del agua, que hace que las soluciones a ser inestable. Generalmente, pueden ser inducidos EHD flujos en soluciones no-acuosas aplicando voltajes extremadamente altos, como decenas de kV, inyectar cargas eléctricas. En este estudio, se introducen dos métodos para generar flujos EHD inducidos por la separación de carga eléctrica en soluciones acuosas, donde dos fases líquidas se separan por una membrana de intercambio iónico. Debido a una diferencia en la movilidad iónica en la membrana, polarización de concentración de iones es inducido entre ambos lados de la membrana. En este estudio, demostramos dos métodos. (i) la reducción de gradientes de concentración de iones ocurre a través de un canal de flujo que penetra una membrana de intercambio iónico, donde el transporte de las especies más lentas en la membrana selectivamente se convierte en dominante en el canal de flujo. Esto es un motor para generar un flujo EHD en el líquido. (ii) un largo tiempo de espera para la difusión de los iones pasan a través de la membrana de intercambio iónico permite la generación de un flujo de iones arrastrados por externamente aplicando un campo eléctrico. Los iones en un canal de flujo de un 1 x 1 mm2 de sección determinan la dirección del flujo del líquido, correspondientes a las vías de transporte electroforético. En ambos métodos, la diferencia de tensión eléctrica necesaria para una generación de flujo EHD se reduce drásticamente a cerca de 2 V por rectificación de las vías de transporte de iones.

Introduction

Recientemente, técnicas de control de flujo de líquido han atraído mucha atención debido a interés en las aplicaciones de micro - y utiliza dispositivos1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. en soluciones polares como soluciones acuosas y líquidos iónicos, los iones y eléctricamente las partículas cargadas se suele llevar sobre cargas eléctricas en los flujos de líquido. El transporte de dichas partículas polarizadas proporciona una extensión de varias aplicaciones, tales como manipulación de una sola molécula6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diodo dispositivos12,18y flujo de líquido control de19,20,21,22. Flujo EHD ha sido un fenómeno aplicable para sistemas de control de flujo de líquido desde Stuetzer1,2 inventó la bomba de arrastre de iones. Melcher y Taylor3 publicó un importante artículo en el que también se revisó el marco teórico de flujo EHD y algunos experimentos destacados también fueron demostrados. Saville4 y sus compañeros de trabajo23,24 contribuyeron a la siguiente expansión de las tecnologías EHD en líquidos. Sin embargo, hubo algunas limitaciones para inducir flujos de líquido impulsados por fuerzas eléctricas, porque decenas de kV tienen que aplicarse en líquidos para inyectar cargas eléctricas en soluciones no polares, tales como los aceites, a polarizar los1,2 , 3. esto es una desventaja para soluciones acuosas debido a la electrólisis del agua que es inducida por un potencial eléctrico superior a 1.23 V cambia las características de las soluciones y hace las soluciones inestables.

En canales de micro y editoriales, cargas superficiales de las paredes del canal causan la concentración de counterions que efectivamente inducir flujo electroosmotic (EF) bajo campos eléctricos aplicados externamente25,26,27 ,28,29. Con EF, algunas técnicas bombeos líquidos han sido aplicados en soluciones acuosas, reducción de la tensión eléctrica30,31,32. Por otro lado, EF se limitan a ser generados en micro - y nanospaces en que las superficies se vuelven más dominantes que los volúmenes de líquido. Además, dependiendo del transporte de iones altamente concentrados muy cerca de la superficie de la pared, como en dobles capas eléctricas, el límite de deslizamiento sólo hace que el flujo de líquido, que puede no ser suficiente para que los gradientes de presión7, 8 , 22 , 26 , 27. afinar, como dimensiones de la canal y concentraciones de sal, es necesaria para las aplicaciones de EF. Por el contrario, EHD fluye por cuerpo fuerzas parecen estar disponibles para el transporte de masas y energías si las tensiones de uso pueden reducirse para evitar degradar solventes. Recientemente, algunos investigadores han sugerido aplicaciones de EHD flujos con bajas tensiones33,34,35,36. Aunque todavía no se han aplicado estas tecnologías, las fronteras se pretende ampliar.

En estudios anteriores, también se realizó un trabajo experimental y teórico EHD flujos en soluciones acuosas37,38,39,40. Se suponía que la rectificación de las vías de transporte de ion fue efectiva para generar soluciones eléctricamente cargadas que causan las fuerzas electrica bajo campos eléctricos. Mediante el uso de una membrana de intercambio iónico y un canal de flujo cruza la membrana, fuimos capaces de rectificar las corrientes iónicas. Cuando se aplica una membrana intercambiadora de aniones, cationes concentraron en el flujo de canal arrastró los solventes y desarrollado un EHD flujo37,38,39. Una diferencia en la movilidad de las especies del ion era un factor importante al separar las corrientes catiónicas y aniónicas. Membranas de intercambio iónico trabajaban con eficacia para modular la movilidad debido a la selectividad del ion. También se investigaron fenómenos de transporte de iones desde el punto de vista de la densidad de corriente iónica influenciado por campos eléctricos aplicados41. Estos estudios han sido fructíferos para desarrollar técnicas de manipulación de moléculas individuales, es decir, micro - y nanopartículas, cuyos movimientos son afectados fuertemente por las fluctuaciones térmicas11,16,17 . EF y EHE flujos deben ampliar la variedad de métodos de control de flujo preciso, así como gradientes de presión.

En este estudio, demostramos dos métodos de impulsión EHD flujos en soluciones acuosas. En primer lugar, se utiliza una solución de NaOH para un fluido de trabajo para conducir un flujo EHD37,38,39. Una membrana de intercambio aniónico separa el líquido en dos partes. Un canal de flujo de polidimetilsiloxano (PDMS) con una sección de 1 x 1 mm y una longitud de 3 mm penetra la membrana. Aplicando un potencial eléctrico de 2.2 V, se induce el transporte electroforético de OH− iones, H+y Na+a lo largo de los campos eléctricos. Una membrana de intercambio aniónico y un canal de flujo trabajarán eficazmente para separar las vías de transporte de iones, donde aniones dominante pasan a través de la membrana y cationes se concentran en el canal de flujo, aunque ambas especies generalmente se mueven en direcciones opuestas, mantener el electroneutrality. Por lo tanto, tal condición no causa una fuerza impulsora para flujos de líquido. Esta estructura es fundamental para generar un flujo EHD cuya velocidad alcanza del orden de 1 mm/s en el canal porque la alta concentración de cationes acelerados por campos eléctricos externos arrastrar las moléculas de solvente. EHD flujos son observados y registrados mediante un microscopio y una cámara de alta velocidad como se muestra en la figura 1. En segundo lugar, una diferencia de concentración entre dos fases líquidas separadas por una membrana de intercambio de iones causa una condición eléctricamente polarizada para generarse atravesando una membrana de intercambio iónico40. En este estudio, nos encontramos con la importancia de un considerable tiempo de espera para equilibrar la distribución de iones y un potencial eléctrico correspondiente, que causan condiciones preferibles aplicar a una fuerza del cuerpo en un líquido. Atravesar la membrana de intercambio iónico, se logra una condición débil polarizada. En tal condición, un externamente aplicado campo eléctrico induce transporte iónico direccional que genera una fuerza de cuerpo en un líquido, y como resultado, la transferencia de impulso de los iones en el solvente se desarrolla un flujo EHD.

Como se mencionó anteriormente, los dispositivos actuales tienen éxito en disminuir drásticamente la diferencia de tensión a pocos voltios, y por lo tanto este método es utilizable para soluciones acuosas, aunque los métodos de inyección de carga eléctrica convencional requieren decenas de kV y se limitan a una aplicación en soluciones no acuosas.

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Protocol

1. EHD flujo inducido por transporte iónico rectificado

  1. Desarrollo de un dispositivo de canal de flujo para rectificar caminos de transporte de iones
    1. Hacer un molde PTFE del embalse:
      1. Cortar un 13 x 30 x 10 moldes de3 mm en un bloque de politetrafluoroetileno (PTFE) utilizando una fresadora (ver figura 2). Como alternativa, comprar un producto por encargo.
      2. Se adhieren a las placas de acrílico de 15 x 18 x 1 mm3 en ambos extremos del molde con un plástico adhesivo, que las aberturas en el tanque para colocar los electrodos sesgos PTFE. Estas piezas pueden ser cortadas de un plato grande o compradas.
      3. Se adhieren a las placas de acrílico de 13 x 30 x 1 mm3 en las superficies superior e inferior del molde PTFE con un plástico adhesivo para hacer superficies planas para la observación clara.
    2. Un agente de silicona elastómero base y curado en la relación 10:1 en un tubo de 50 mL de la mezcla y agite el tubo con la mano.
    3. Colocar el PDMS líquido en un recipiente vacío y desgasificación mediante una bomba rotatoria.
    4. Retire el tubo del recipiente. Vierta el PDMS en una de 40 x 50 x 24 mm3 plástico vaso la forma exterior del embalse del molde y coloque el molde de reservorio (ver paso 1.1.1) en él.
    5. Cueza al horno el cuerpo entero del líquido PDMS en una placa caliente a 80 ° C durante aproximadamente 4 horas.
    6. Después de hornear, aislar el depósito PDMS del molde PTFE y el recipiente exterior a mano. Hacer una hendidura en el centro del embalse con un cuchillo quirúrgico. Esto se utilizará para poner los bordes de una membrana de intercambio aniónico (preparado en el paso 1.1.16) en ella con pinzas.
      Nota: El depósito PDMS está lleno de soluciones electrolíticas, como se muestra en la figura 2.
    7. Obtener placas de vidrio (hechas por pedido especial) con una forma circular de 18 mm de diámetro o en un cuadrado con los bordes de 18 mm.
    8. Lavar las placas de vidrio a remojarlas en acetona, etanol y agua pura (en ese orden) en un baño de ultrasonidos durante 15 minutos.
    9. Volar cualquier líquido residual con una pistola de aire o calentar las placas de vidrio con una placa durante 5 minutos a unos 473 K.
    10. Farfulla de la frecuencia de radio, cubra la superficie de vidrio con Cr o Ti expuestos al plasma de Ar durante 1 min a 75 W y sucesivamente, depositar una capa delgada de Au por 5 min a 75 W, ajuste el espesor de aproximadamente 100 nm.
      Nota: Antes de recubrimiento de la superficie del vidrio con los metales blanco, las muestras fueron fijadas en una cámara de vacío que fue evacuada con una bomba rotativa y una bomba de difusión molecular hasta que la presión disminuyó a 1 x 10−2 PA.
    11. Un plomo en la superficie de electrodo de Au con un soldador de la soldadura.
      Nota: La forma del electrodo Au posiblemente puede reemplazarse por plazas y alambres helicoidales, manteniendo las superficies suficientemente grandes como para generar las corrientes iónicas.
    12. Con las pinzas, coloque las placas de vidrio recubiertas con una capa delgada de Au en ambos extremos del embalse. Estos son los electrodos de sesgo.
    13. Cortar una membrana intercambiadora de aniones en forma rectangular de 20 x 18 mm2 utilizando tijeras. Una superficie de 13 mm de ancho y 10 mm de altura está expuesta a un líquido. Aquí, un cúter o cuchillo quirúrgico puede también usarse para cortar la membrana.
    14. Corte un pedazo rectangular de 3 x 5.5 mm2 de un extremo de la membrana con tijeras.
      Nota: El espesor de la membrana de intercambio aniónico es 220 μm. La membrana se corta fácilmente con tijeras o cúter. Los bordes de la membrana se fijan en parte con las ranuras de la cámara.
    15. Consolidar un bloque PDMS con un varilla de acero inoxidable de sección 1 x 1 mm2 de la misma manera como en los pasos 1.1.4 - 1.1.5, para crear un canal de flujo que penetra en la membrana. Deja la construcción durante la noche y luego tire de la varilla de acero inoxidable salga del bloque de PDMS.
    16. Corte el PDMS bloque con un canal de flujo cuadrado en 3 x 6 x 4.5 mm pieza (véase figura 2) utilizando un cuchillo quirúrgico. Hacer ranuras a lo largo de los bordes y luego adjuntarlo a la membrana en un corte rectangular.
      Nota: La cara superior de la canal debe ajustarse horizontalmente para una observación clara de las partículas en el canal de flujo a través de la pared transparente.
  2. Preparación de soluciones y tratamientos previos para experimentos
    1. Preparar soluciones acuosas de NaOH en concentraciones de 1 x 10−1, 1 x 10−2y 1 x 10−3 mol/L por dilución de la solución.
    2. Hacer una dispersión de partículas de poliestireno de 2,93 μm en promedio de diámetro en cada una de las soluciones de NaOH preparadas en el paso 1.2.1 ajustando la concentración a 4.2 x 10−3 vol %.
      Nota: El tamaño de las partículas trazadoras puede cambiarse adecuadamente para mejorar la observación.
    3. Ultrasonicate de la membrana de intercambio aniónico con formato de 20 x 18 mm2 con una ranura de 3 x 5.5 mm2 2 x 10 min en agua pura a una potencia de 100 w.
    4. Con las pinzas, coloque la membrana de intercambio aniónico con el canal de flujo PDMS en el depósito PDMS. Llene el depósito con 4 mL de solución de NaOH mediante una micropipeta.
      Nota: El canal de flujo y superficie de la membrana se sumergen en la solución, donde la superficie de la membrana expuesta a la solución es al menos 100 x más grande que la sección transversal del canal de flujo.
    5. Aplique un potencial eléctrico de 2.2 V mediante una fuente de alimentación de CC en direcciones hacia adelantadas y hacia atrás durante 2 h en serie, para mejorar la conductividad de la membrana antes de observación.
    6. Sacar los electrodos de Au con pinzas. Retire la solución de los depósitos mediante una micropipeta.
    7. Set nuevos electrodos de Au en las presas con las pinzas. Llenar los depósitos con 4 mL de solución de NaOH mediante una micropipeta. Iniciar observaciones cuando la solución es equilibrada.
      Nota: Puede tomar unos minutos de tiempo de espera hasta que la convección natural se establece, que se puede juzgar por la observación del comportamiento de las partículas trazadoras.
  3. Sistemas de medición y configuración experimentales
    1. Establecer la velocidad de fotogramas y el tiempo de exposición de una cámara de alta velocidad metal-óxido-semiconductor complementario (CMOS) a 500 fps y 1 ms, respectivamente.
      Nota: Como se muestra en la figura 1, el dispositivo experimental se encuentra en la etapa de un microscopio conectado a una cámara CMOS de alta velocidad para grabar los movimientos de partículas. La vista se amplía en un 15 en el monitor con un objetivo X 100.
    2. Eliminar las posibles burbujas desde el canal insertando la punta de una micropipeta en el extremo del canal para empujar o jalar hacia fuera, antes de aplicar un potencial eléctrico.
    3. Externamente se aplica un potencial eléctrico de 2.2 V a los electrodos de Au diagonales. Al mismo tiempo vigilar las respuestas eléctricas mediante un potenciostato o una fuente de alimentación de CC con un multímetro digital.
      Nota: El valor de tensión se determina que el límite superior, evitando la electrólisis del agua que genera O2 y H2 burbujas en la solución.
    4. Registrar el comportamiento de las partículas trazadoras en el equipo.
    5. Medir una diferencia de potencial eléctrico entre ambos extremos del canal de flujo mediante el uso de electrodos de Au sonda y un multímetro digital para confirmar que el gradiente de la concentración de los iones provoca un flujo EHD38,39.
    6. Determinar el origen del sistema coordinado cartesiano en el centro del canal.
      Nota: La x- el eje está a lo largo de la dirección longitudinal de los canales de flujo y el y- y z-hachas están en las direcciones horizontales y verticales en la sección transversal del canal, respectivamente, como se muestra en la figura 2. El canal transparente de PDMS permite líquido fluye a visualizarse a lo largo del x-eje. La vista se centra en el plano xy en z = 0 mediante el control de la profundidad del foco. El flujo de datos es independiente de x en la sección de prueba excepto cerca de la entrada y salida del canal, y el punto de observación se encuentra en aproximadamente 0,75 mm aguas abajo desde el origen, tal que x = 0.75, y = 0 y z = 0 mm.
    7. Después de una sola medición (15 s), cortocircuitar los electrodos conectándolas entre sí con un plomo de 20 min hasta que la solución es equilibrada.
    8. A continuación, mover la totalidad de la solución a otro recipiente (por ejemplo, una botella de muestra de 10 mL) y agitar con una micropipeta.
    9. Verter la solución agitada en la cámara de nuevo utilizando una micropipeta al realizar iterativamente el experimento.
      Nota: Después de la observación, la velocidad de flujo EHD se evalúa mediante el uso de la partícula imagen velocimetry (PIV) método39, que se puede hacer usando el software apropiado para trazar el desplazamiento de las partículas y evaluar numéricamente la velocidad. Una explicación detallada de los métodos PIV y cómo utilizarlos se omite aquí porque análisis PIV han sido ampliamente utilizados y los procedimientos de cálculos dependen del software y sistema operativo que se utiliza.

2. observación de flujos EHD inducida por el catión

  1. Desarrollo del dispositivo experimental
    1. Forma de sesgos electrodos de Au con una superficie de2 de 26 x 10 mm en la placa inferior según procedimientos similares a los descritos previamente en pasos 1.1.5 - 1.1.7.
    2. Farfulla de la frecuencia de radio, cubra una superficie de vidrio con Cr o Ti expuestos al plasma de Ar durante 2 min a 75 W y depositar una capa delgada de Au por 5 min a 75 w.
      Nota: Esta forma del electrodo está determinada para altamente concentrado de los campos eléctricos en la región más estrecha del canal. La proporción de la superficie del electrodo, cuya área de 10 x 10 mm2 se expone a un líquido, a la sección transversal del canal es idealmente 100: 1; Esta relación se predice para ser suficiente para soltar el potencial eléctrico en el canal por una gran cantidad de16.
    3. Una línea de plomo en un extremo de los electrodos de la soldadura usando un soldador.
    4. De una hoja de goma de silicona grande, cortar 2 compartimientos, cada uno de un 1 x 1 x 1 m m3 flujo canal situado entre depósitos de3 dos 10 x 10 x 1 mm, con un cuchillo quirúrgico (ver figura 3). Estas piezas pueden sustituirse por PDMS.
    5. Corte una membrana de intercambio catiónico con un espesor medio de 127 μm a 20 x 30 mm con un cúter o cuchillo quirúrgico, tal como se muestra en la figura 3.
    6. Ultrasonicate cada parte en agua pura durante 15 min mediante la aplicación de 100 w el.
    7. Insertar una membrana de intercambio catiónico entre las cámaras con pinzas, como se muestra en la figura 3. Esto separará 2 soluciones de electrolitos de diferentes concentraciones.
    8. Presione y selle la pila de los compartimientos y la membrana de intercambio catiónico con las placas de vidrio cuyas dimensiones son de 26 mm de ancho y 38 mm de largo.
  2. Preparación de soluciones
    1. Preparar una dispersión de partículas de poliestireno de un diámetro promedio de 1.01 μm en un 1 x 10−2 mol/L tris (hidroximetil) aminometano etilendiaminotetracético ácido (Tris-EDTA) solución tampón, donde la proporción de volumen se ajusta a 1 x 10−2 vol %.
    2. Preparar una mezcla de 1 mol/L de KCl y 1 x 10−2 mol/L de Tris-EDTA.
    3. Inyectar la partícula de Tris-EDTA/poliestireno y las soluciones de Tris-EDTA/KCl en las cámaras inferiores y superiores, respectivamente, a través de agujas de jeringa insertan en las paredes laterales de las cámaras.
      Nota: La cantidad de las soluciones inyectadas en cada cámara es 210 μl.
    4. Esperar por cerca de 18 horas hasta que la solución es equilibrada como resultado de una difusión de los iones para la diferencia de concentración de iones entre las capas superiores e inferiores.
      Nota: En el proceso de difusión, K+ en la solución superior y H+ en la membrana deben penetrar la membrana primero y Cl− se espera que siga.
  3. Sistemas de medición y configuración experimentales
    1. Ajuste el dispositivo experimental desarrollado en el paso 2.1 en la etapa del microscopio invertido a mano, como se muestra en la figura 3. Conecte el microscopio a una cámara de alta velocidad CMOS para controlar las trayectorias de los movimientos de la partícula y registrar los datos de observación en una computadora.
    2. Aplicar una diferencia de potencial eléctrico de 2 V para 6 s entre los dos electrodos utilizando un generador de funciones como fuente de energía.
    3. Para confirmar que transporte iónico induce corrientes de EHD, medir las corrientes iónicas simultáneamente utilizando un amperímetro40.
    4. Analizar las trayectorias registradas de las partículas de la partícula velocimetry (PTV) método39de seguimiento.
      Nota: Después de las observaciones, la velocidad de flujo EHD se evalúa por el método del PTV, que es posible mediante software apropiado, para rastrear el desplazamiento de las partículas y evaluar numéricamente la velocidad. Una explicación detallada de los métodos de PTV y cómo utilizarlos se omite aquí porque análisis de PTV han sido ampliamente utilizados y los procedimientos de los cómputos dependen del software y sistema operativo que está siendo utilizado.

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Representative Results

Figura 4 (figura video) presenta un resultado representativo de una generación de flujo EHD, resultante de la rectificación de vías de transporte de iones y cationes altamente concentrados que induce un flujo de líquido en el canal, según el paso 1 del protocolo. La figura 5 muestra el resultado del análisis PIV, que datos de 20 puntos cerca del centro del canal (y = z = 0 mm) fueron hechas un promedio. En el caso de la−1 1 x 10 mol/L NaOH solución, cuando un potencial eléctrico de 2.2 V fue aplicado en t = 5 s, la velocidad de las partículas trazadoras aumentada rápidamente hasta un valor máximo. Después de eso, la velocidad disminuyó y convergente a 0. La velocidad máxima alcanza un casi 2 mm/s. Se trata de un resultado típico de un flujo EHD generado mediante una membrana de intercambio aniónico y un−1 1 x 10 mol/L de solución de NaOH.

Se confirmó también que la velocidad de transporte electroforético de partículas trazadoras fue mucho menor que la velocidad pico del flujo del líquido en el−1 1 x 10 mol/L NaOH solución38,39. Según lo discutido en la literatura39, se considera que este tipo de flujo EHD consisten en flujos invertidos arrastrados por OH− pasando a través de la membrana y Na+ y H+ en el canal de flujo para compensar el anión transporte en la membrana. Como disminución de la concentración, el comportamiento de transporte tiende a ser más lento. Esto significa que la duración-hasta que la velocidad alcanza un pico- y el tiempo de relajación parece ser más largo, disminuyendo el valor de pico de la velocidad. Este resultado indica que disminuido el número de iones cuyo movimiento fue conducido por fuerzas eléctricas, y por lo tanto, también se redujo la fuerza electrica en el líquido.

Una observación importante es que las corrientes iónicas continuadas rectificadas por las interfaces selectiva de iones moléculas solventes ser arrastrado en una dirección y esto causó un flujo líquido desarrollar. En este caso, existe la posibilidad de que el flujo de líquido fue realzado por la polarización de la concentración de iones cruzan la membrana de intercambio aniónico que desencadena el flujo inverso en el canal. Este punto fue mencionado en un anterior estudio39. Se suponía que AC campos también fueron efectivos para controlar los flujos de líquido periódicamente cambiar direcciones. El actual flujo EHD se limitaba a las respuestas transitorias debido al número finito de los iones de Na+ ; esta situación no fue propicia para mantener una corriente catiónica constante, a pesar de la tensión de 2.2 V fue suficiente para inducir la electrólisis del agua. Para generar flujos constantes de EHD, proponemos arrastra las moléculas de disolvente con especies de iones que son el portador dominante de la corriente iónica. Otros datos se verificarán en nuestro futuro trabajo. Aquí, presentamos un resultado representativo de un flujo EHD que podía inducir en soluciones de NaOH por rectificación de vías de transporte de iones. También se discuten detalles sobre la dependencia de la concentración y diferencias de potencial eléctricas por Yano, Doi y Kawano37,38 y Yano, Shirai, Imoto, Doi y Kawano39.

Figura 6 (figura video) muestra un resultado representativo del flujo EHD generado una solución eléctricamente polarizado bajo condiciones corriente iónicas. También se analizó la respuesta de la velocidad del flujo EHD mediante el seguimiento de las partículas trazadoras, como se muestra en la figura 7, que fue un resultado típico obtenido mediante el seguimiento de una sola partícula cerca del centro del canal de flujo. Cuando se aplica un potencial eléctrico de 2 V de t = 2 a 8 s, partículas de poliestireno respondieron al campo eléctrico aplicado. En t = 2 s, la partícula que se desplaza rápidamente en dirección hacia atrás, correspondientes al transporte electroforético de cargas negativas. Después de una respuesta de corto plazo, el flujo cambiado a la dirección de avance y la velocidad se convirtió en constante a 30 μm/s hasta que el potencial eléctrico fue dado vuelta apagado.

En este periodo, las partículas de poliestireno cargadas negativamente se movió en la dirección del transporte de las cargas positivas. En general, la dirección puede no revertirse espontáneamente bajo campo eléctrico unidireccional, aunque la carga superficial de las partículas estaba totalmente blindada por los cationes de contador. Así, este resultado indica que dispersa en la solución de cationes también electroforéticamente fueron transportados a lo largo de los campos eléctricos, arrastra las moléculas de solvente que desarrollaron gradualmente un flujo líquido. Cargas negativas altamente concentraron en la superficie de la partícula causada una más fuerte que la fuerza eléctrica por cationes en la solución y, así, en primer lugar condujeron el transporte en la dirección negativa. Después de eso, un flujo de líquido arrastrado por la corriente catiónica mayor una fuerza de arrastre de la partícula. En este régimen, gradientes de velocidad realmente se observaron a lo largo de la y-eje perpendicular a la dirección del flujo y, por lo tanto, una generación de flujo de líquido fue realmente confirmado.

También se evaluó el comportamiento de partículas de poliestireno afectadas por flujos de EHD en un estudio anterior, y se encontró que la velocidad del flujo EHD aumentó proporcionalmente con una creciente corriente iónica. Un tiempo de espera de más de 18 horas antes de aplicar un campo eléctrico externo es el factor más importante para inducir un flujo constante de EHD, porque tarda tanto tiempo para la distribución de iones a equilibrarse ya que son casi uniformes en el canal. Como resultado, los patrones de flujo de Poiseuille-como constantemente se observan. Por el contrario, no podríamos confirmar un flujo constante cuando el tiempo de espera no era suficiente para lograr la distribución uniforme de iones.

Después de observar una velocidad constante, el potencial eléctrico se apagó en t = 8 s. Aquí, para cambiar rápidamente la diferencia de potencial eléctrico de 2 a 0 V, los electrodos blindados pueden requerir una aplicación excesiva del potencial eléctrico equivalente para ambas superficies del electrodo. En ese proceso, los iones altamente concentrados cerca de la superficie de los electrodos reciben fuerzas repulsivas eléctricas, que resulta de invertir las corrientes iónicas. Sobre todo, la corriente catiónica que fue dominante en la capa más baja causa un flujo de líquido que se generen y una respuesta transitoria en la dirección hacia atrás realmente se observó en el resultado experimental, que apareció inmediatamente cuando el potencial eléctrico fue dado vuelta apagado y convergente a 0 μm/s. Tales procesos en la generación de flujo EHD eran típicos en este experimento. Junto al constante flujo EHD, los flujos de inversión observaron al encender el potencial eléctrico y apagado también son interesantes. En la respuesta transitoria, reacciones electroquímicas en la superficie de los electrodos provocan gradientes de concentración de ion drástica que inducen la difusión potencial como aplicado externamente potenciales eléctricos. Estos medios de transporte de iones complejos fenómenos aún no han sido aclarado lo suficiente y, por lo tanto, son temas a resolver en el futuro trabajo.

Los mecanismos de la generación de flujo EHD se presentan esquemáticamente en la figura 8. Un flujo EHD en soluciones de NaOH se muestra en la figura 8a, correspondiente al caso de la figura 4. El flujo EHD arrastrado por Na+ en el canal se activa por el transporte de OH− en una membrana de intercambio aniónico. El flujo transitorio es causado por la disipación debido a amortiguación de flujo de masa, ímpetu flujo humedece, superficie movilidad y electrowetting de la superficie de los electrodos. Otro mecanismo de flujo EHD inducida bajo las condiciones actuales catiónicas, que son más dominantes que los aniónicos, se representa en la figura 8b. Los iones de K+ primero penetran una membrana de intercambio catiónico, causando condiciones del catión dominante, y, consecuentemente, flujo EHD es inducida a lo largo de la corriente catiónica.

Como se describió anteriormente, manteniendo condiciones eléctricamente polarizadas bajo condiciones corriente iónicas mediante la reducción de la aplicación de los potenciales eléctricos es clave para generar constantes flujos EHD. Mediante el uso de los métodos actuales, unos cuantos voltios pueden ser suficientes inducir EHD flujos en soluciones acuosas, aunque la electrólisis del agua es necesaria para mantener las corrientes iónicas constantes para mejorar la transferencia de impulso de iones del electrolito a las moléculas de solvente.

Figure 1
Figura 1 : Fotografía del montaje experimental para la observación de flujo EHD. Movimientos de las partículas trazadoras están trazados por un microscopio conectado a una cámara de alta velocidad, las trayectorias de la grabación en el controlador. Potenciales eléctricos se aplican mediante un potenciostato o una fuente de energía eléctrica de CC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Ilustración esquemática de un dispositivo experimental. Un canal de flujo de PDMS se fija en una membrana de intercambio aniónico y llena con una solución acuosa de NaOH. Se colocan electrodos de au en ambos extremos de la solución. El origen de las coordenadas está situado en el centro del canal de flujo cuadrada y un área de observación está en un plano xy cerca x = 0.75 y z = 0 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Fotografía del montaje experimental y esquema de un dispositivo para inducir un flujo EHD arrastrado de cationes en una solución eléctricamente polarizado. Un 1 mol/L de KCl y 1 x 10−2 mol/L Tris-EDTA buffer solución y una 1 x 10−2 vol % poliestireno (PSt) dispersión de partículas en 1 x 10−2 mol/L Tris-tampón EDTA se separan con una membrana de intercambio catiónico, donde el diámetro medio de las partículas PSt es 1.01 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 (figura video): una película de flujo EHD impulsado por el transporte de iones de Na+ se concentró en el canal de flujo. Las partículas trazadoras transportadas a lo largo de la dirección del campo eléctrico cuando se aplica un potencial eléctrico de 2.2 V en t = 5 s. poliestireno negativamente cargado partículas son traídas hacia el cátodo en un flujo EHD impulsado por la corriente catiónica en el canal. En el caso de a 1 x 10−1 mol/L de solución de NaOH, una velocidad de pico cerca de 2 m/s se alcanza rápidamente después de aplicar sucesivamente un potencial eléctrico y la velocidad decae a cero. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)

Figure 5
Figura 5 : La respuesta de flujo EHD observada en el canal de flujo, dando por resultado a partir del análisis PIV para la pelicula grabada de Figura 4. La respuesta de velocidad (línea azul sólida) fue obtenida por el promedio de 20 puntos cerca del centro del canal (y = z = 0 mm). La velocidad se incrementa rápidamente después de aplicar una tensión eléctrica de 2.2 V a 5 s y gradualmente converge a 0 mm/s. La secuencia de la tensión también se indica con una línea punteada roja. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6 (figura video): una película de flujo EHD observado en una solución eléctricamente polarizada, separando un 1 mol/L KCl solución y poliestireno dispersión mediante el uso de una membrana de intercambio catiónico. Aplicando un potencial eléctrico de 2 V de t = 2 a 8 s, el transporte de partículas trazadoras refleja un flujo EHD impulsado por una corriente catiónica. Una velocidad de flujo constante alcanza 30 μm/s durante la aplicación del potencial. Además, las partículas responden también brevemente en la dirección negativa cuando el potencial eléctrico es activado y desactivado debido a que la carga eléctrica de una partícula afecta en primer lugar el movimiento. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)

Figure 7
Figura 7 : Observa la respuesta del flujo EHD en el canal, dando por resultado a partir del análisis de PTV para la pelicula grabada de figura 6. La respuesta de velocidad (línea azul sólida) se obtuvo mediante el seguimiento de una sola partícula cerca del centro del canal. La secuencia de la tensión también se indica con una línea punteada roja. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Figure 8
Figura 8 : Esquemas de EHD flujo de mecanismos de generación correspondientes a las figuras 4 y 5 (panel a) y 6 y 7 (panel b). (a) flujos de líquido se inducen en una solución acuosa de NaOH que se separa con una membrana de intercambio aniónico, donde EF inducida por un transporte de OH− en la membrana desencadena un flujo arrastrado por un transporte de Na+ en el canal y es en parte se disipó con amortiguación de flujo de masa, ímpetu flujo humedece, superficie movilidad y electrowetting de la superficie de los electrodos. (b) catiónicos de la corriente es más dominante que la corriente aniónica porque K+ en primer lugar penetra una membrana de intercambio catiónico, que contribuye a un flujo de líquido arrastrado por cationes bajo condiciones corriente constante con agua electrólisis. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

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Discussion

El propósito de este estudio fue separar cationes y aniones en soluciones acuosas en términos de distribución espacial y los números de transporte. Utilizando una membrana de intercambio aniónico, puede rectificarse el transporte de aniones y cationes en la membrana y en un canal de flujo que penetra en la membrana, respectivamente. Alternativamente, una membrana de intercambio de cationes que separa cielo y soluciones de concentración trabajó para generar soluciones eléctricamente polarizadas después de un tiempo de espera considerable. Como resultado, las corrientes iónicas rectificadas tuvo éxito en la reducción de la tensión aplicada para inducir flujos EHD ion-arrastrado.

Los métodos presentados aquí están disponibles para soluciones acuosas con voltajes de aplicación bajo en comparación con los métodos convencionales que requieren muy altas tensiones de decenas de kilovoltios a inyectar cargas eléctricas en soluciones no polares. Se aclaró que los flujos de EHD son efectivos en soluciones acuosas y soluciones no polares.

Sin embargo, los métodos actuales dependen de electrólisis del agua para mantener las corrientes iónicas constantes en el que el potencial ideal de electrólisis del agua se sabe para ser 1.23 V. Por lo tanto, existe una limitación de la tensión aplicada para evitar la generación O2 y burbujas de2 H que cambian las propiedades de un líquido. Para superar esta limitación, los materiales de los electrodos y soluciones de electrolitos deban determinarse adecuadamente para definir las reacciones electroquímicas en la superficie de los electrodos para generar las corrientes iónicas en las soluciones. En cada juicio, la superficie de los electrodos debe ser pulida y desnuda para hacer un campo eléctrico fuerte en la solución, mejorar las reacciones electroquímicas.

En este estudio, se propuso el uso de membranas de intercambio iónico para rectificar las vías de transporte de especies de iones. Por otro lado, la eficiencia de generación de flujo EHD parecía depender de la capacidad de las membranas. Como se explica en el protocolo, la difusión de iones lleva un considerable tiempo de espera hasta que sea estable. Por lo tanto, es crucial para mejorar la eficiencia de la generación de flujo EHD preprocess para aumentar la conductividad de las membranas. Cuando se mantienen condiciones actuales iónicas en campos eléctricos aplicados externamente, propiedades de transporte de iones son mejores, y efectivamente se alcanzan condiciones eléctricamente polarizadas.

En el futuro, se espera que los flujos EHD de soluciones acuosas ser aplicable para sistemas de control de flujo de líquido en dispositivos micro y editoriales junto con EF y similares. Además, aplicaciones para dispositivos médicos, en que iones de transporte tiene un papel importante para estimular las células biológicas y transducción de señal son también desafiantes.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores no tienen ninguna agradecimientos.

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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