Электрокинетика наведенного заряда
Электрокинетика наведенного заряда в физике — это электрический поток жидкости и движение частиц в жидком электролите . [2] Рассмотрим металлическую частицу (нейтрально заряженную, но электропроводящую), контактирующую с водным раствором в камере/канале. Если разные напряжения к концу этой камеры/канала подаются , в этой камере/канале будет генерироваться электрическое поле . Это приложенное электрическое поле проходит через эту металлическую частицу и заставляет свободные заряды внутри частицы мигрировать под оболочку частицы. В результате этой миграции отрицательные заряды перемещаются в сторону, близкую к положительному (или более высокому) напряжению, а положительные заряды движутся к противоположной стороне частицы. Эти заряды под оболочкой проводящей частицы притягивают противоионы водного раствора; таким образом, двойной электрический слой вокруг частицы образуется (ДЭС). Знак ДЭС на поверхности проводящей частицы меняется с положительного на отрицательный, а распределение зарядов меняется по геометрии частицы. Из-за этих различий EDL неоднороден и имеет разные знаки. Таким образом, индуцированный дзета-потенциал вокруг частицы и, следовательно, скорость скольжения по поверхности частицы изменяются в зависимости от локального электрического поля. Различия в величине и направлении скорости скольжения на поверхности проводящей частицы влияют на картину течения вокруг этой частицы и вызывают микровихри. Ясаман Дагиги и Дунцин Ли впервые экспериментально проиллюстрировали эти индуцированные вихри вокруг сферы из углеродистой стали диаметром 1,2 мм под внешним электрическим полем постоянного тока (DC) напряжением 40 В/см. [1] Чэньхуэй Пэн и др. [3] также экспериментально показал закономерности электроосмотического потока вокруг сферы Au при использовании переменного тока (AC) (E=10 мВ/мкм, f=1 кГц). Электрокинетика здесь относится к отрасли науки, связанной с движением и реакцией заряженных частиц на приложенное электрическое поле и его влияние на окружающую среду. Иногда его также называют нелинейным электрокинетическим явлением. [ нужна ссылка ]
История
[ редактировать ]Левич — один из пионеров в области электрокинетического поля наведенного заряда. [2] Он рассчитал возмущенный профиль скольжения вокруг проводящей частицы, контактирующей с электролитом. Он также теоретически предсказал, что вокруг этой частицы возникают вихри при приложении электрического поля.
Индуцированные вихри вокруг проводящей частицы
[ редактировать ]Размер и сила индуцированных вихрей вокруг проводящей частицы напрямую зависят от приложенного электрического поля, а также от размера проводящей поверхности. Это явление экспериментально и численно доказано несколькими исследованиями. [4] [5] [6] [7] Вихри растут по мере увеличения внешнего электрического поля и образуют «карстовую воронку». [1] в центре каждого вихря жидкость циркулирует быстрее. Показано, что увеличение размера проводящей поверхности приводит к увеличению индуцированных вихрей до такой степени, что геометрия не ограничивает их рост.
Приложения
[ редактировать ]Индуцированные вихри имеют множество применений в различных аспектах электрокинетической микрофлюидики. Существует множество микросмесителей, которые спроектированы и изготовлены на основе существования их индуцированных вихрей в устройствах микрофлюидики . Такие микросмесители, которые используются в биохимических, медицинских и биологических целях, не имеют механических частей и используют только проводящие поверхности для создания индуцированных вихрей для смешивания различных потоков жидкости. [8] [9] [10] [11] [12]
Это явление даже используется для улавливания микронных и субмикронных частиц, плавающих в потоке, внутри микроканала. Этот метод можно использовать для манипулирования, обнаружения, обработки и концентрирования клеток и вирусов в биомедицинской области; или для сборки коллоидных частиц.
Кроме того, индуцированные вихри вокруг проводящих поверхностей в микрофлюидной системе можно использовать в качестве микроклапана, микропривода, микродвигателя и микрорегулятора для управления направлением и манипуляциями.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Дагиги, Ясаман; Синн, Ирен; Копельман, Рауль; Ли, Дунцин (2013). «Экспериментальное подтверждение электрокинетического движения индуцированных зарядов электропроводящих частиц». Электрохимика Акта . 87 : 270–276. дои : 10.1016/j.electacta.2012.09.021 . ISSN 0013-4686 .
- ^ Перейти обратно: а б В. Г. Левич, Физико-химическая гидродинамика. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, Прентис-Холл, (1962)
- ^ К. Пэн, И. Лазо, С. В. Шияновский, О. Д. Лаврентович, Электроосмос наведенного заряда вокруг металла и сфер Януса в воде: закономерности течения и нарушения симметрии, препринт arXiv arXiv : 1411.1478 , (2014)
- ^ Н. И. Гамаюнов, Г. И. Мантров и В. А. Мурцовкин, Исследование течений, индуцированных внешним электрическим полем в окрестности проводящих частиц, Коллоидн. Ж., 54, (1992) 26-30.
- ^ А. С. Духин, Биоспецифический механизм образования двойного слоя и особенности клеточного электрофореза, Прибой коллоидов. Физикохим. англ. Аспекты, 73, (1993) 29-48.
- ^ Электрокинетика и электрогидродинамика в микросистемах Курсы и лекции CISM, том 530, 2011, стр. 221-297 Электрокинетические явления с наведенным зарядом Мартин З. Базант
- ^ Ю. Дагиги, Ю. Гао и Д. Ли, 3D численное исследование электрокинетического движения гетерогенной частицы, Electrochimica Acta, 56 (11), (2011) 4254-4262
- ^ М. Кампизи, Д. Аккото, Ф. Дамиани и П. Дарио, Хаотический электрокинетический микромиксер с мягкой литографией для эффективных химических реакций в лаборатории на чипах, J. of Micro-Nano Mechatronics, 5, (2009) 69- 76
- ^ А.Д. Строок, С.К.В. Дертингер, А. Айдари, И. Мезич, Х.А. Стоун и Г.М. Уайтсайдс, «Хаотический смеситель для микроканалов», Science, 295, (2002) 647-651
- ^ Ю. Дагиги и Д. Ли, Новая конструкция электрокинетического микросмесителя с индуцированным зарядом, Analytica Chimica Acta, 763 (2013) 28–37
- ^ К.К. Харнетт, Дж. Темплтон, К.А. Данфи-Гузман, Ю.М. Сенуси и М.П. Кануфф, Модельная конструкция микрофлюидного смесителя, приводимого в действие электроосмосом индуцированного заряда, Лаборатория на чипе - Миниатюризация для химии и биологии, 8 (2008), стр. 565 -572
- ^ М. Джайн, А. Юнг и К. Нандакумар, Электроосмотический смеситель с индуцированным зарядом: оптимизация формы препятствий, Биомикрофлюидика, 3 (2009)