Электросмачивание
этой статьи Начальный раздел может быть слишком коротким, чтобы адекватно суммировать ключевые моменты . ( июнь 2023 г. ) |
Электросмачивание — это изменение смачивающих свойств поверхности (которая обычно является гидрофобной ) под действием приложенного электрического поля .
История
[ редактировать ]Электросмачивание ртути и других жидкостей на поверхностях с переменным зарядом, вероятно, было впервые объяснено Габриэлем Липпманом в 1875 году. [1] и, безусловно, наблюдалось гораздо раньше. А. Н. Фрумкин использовал поверхностный заряд для изменения формы капель воды в 1936 году. [2] Термин «электросмачивание» был впервые введен в 1981 году Дж. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа устройства отображения, на которое они получили патент. [3] Использование «жидкостного транзистора» в микрофлюидных схемах для управления химическими и биологическими жидкостями было впервые исследовано Дж. Брауном в 1980 году, а затем профинансировано в 1984–1988 годах в рамках грантов NSF 8760730 и 8822197. [4] использование изолирующего диэлектрического и гидрофобного слоя(ов) (EWOD), несмешивающихся жидкостей, постоянного тока или радиочастотной энергии; и массивные массивы миниатюрных чередующихся (пилообразных) электродов с большими или соответствующими электродами из оксида индия и олова (ITO) для цифрового перемещения нанокапель по линейным, круговым и направленным траекториям, перекачивания или смешивания жидкостей, заполнения резервуаров и электронного управления потоком жидкости или оптически. Позже, в сотрудничестве с Дж. Сильвером из НИЗ, было обнаружено электросмачивание на основе EWOD для одиночных и несмешивающихся жидкостей для перемещения, разделения, удержания и запечатывания массивов цифровых подобразцов ПЦР. [5]
Электросмачивание с использованием изолирующего слоя поверх оголенного электрода было позже изучено Бруно Берже в 1993 году. [6] Электросмачивание на этой поверхности с диэлектрическим покрытием называется электросмачиванием на диэлектрике (EWOD). [7] чтобы отличить его от обычного электросмачивания на голом электроде. Электросмачивание можно продемонстрировать, заменив металлический электрод в системе EWOD полупроводником . [8] [9] Электросмачивание также наблюдается, когда обратное смещение прикладывается к проводящей капле (например, ртути), которая была помещена непосредственно на поверхность полупроводника (например, кремния) для образования контакта Шоттки в конфигурации электрической цепи диода Шоттки – этот эффект получил название «электросмачивание». Электросмачивание Шоттки». [10]
Микрофлюидное манипулирование жидкостями путем электросмачивания было впервые продемонстрировано на каплях ртути в воде. [11] а позже с водой в воздухе [7] и вода в масле. [12] Манипулирование каплями на двумерной траектории было продемонстрировано позже. [13] [14] Если жидкость дискретизирована и управляется программно, этот подход называется «Цифровые микрофлюидные схемы». [15] [16] или « Цифровая микрофлюидика ». [17] Дискретизация с помощью электросмачивания на диэлектрике (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Мун и Ким. [18]
Теория электросмачивания
[ редактировать ]
Эффект электросмачивания был определен как «изменение твердого электролита угла контакта из-за приложенной разности потенциалов между твердым телом и электролитом». Явление электросмачивания можно понять с точки зрения сил, возникающих в результате приложенного электрического поля. [19] [20] Краевое поле по углам капли электролита имеет тенденцию притягивать каплю к электроду, уменьшая макроскопический угол контакта и увеличивая площадь контакта капли. Альтернативно, электросмачивание можно рассматривать с термодинамической точки зрения. Поскольку поверхностное натяжение границы раздела определяется как свободная энергия Гельмгольца, необходимая для создания определенной площади этой поверхности, оно содержит как химические, так и электрические компоненты, и заряд становится важным членом в этом уравнении. Химический компонент — это просто естественное поверхностное натяжение границы раздела твердое тело/электролит без электрического поля. Электрическая составляющая — это энергия, запасенная в конденсаторе, образованном между проводником и электролитом.
Самый простой вывод о поведении электросмачивания можно получить, рассматривая его термодинамическую модель. Хотя можно получить подробную численную модель электросмачивания, учитывая точную форму электрического поля и то, как оно влияет на локальную кривизну капли, такие решения являются математически и вычислительно сложными. Термодинамический вывод происходит следующим образом. Определение соответствующего поверхностного натяжения как:
- – Общее электрическое и химическое поверхностное натяжение между электролитом и проводником.
- – Поверхностное натяжение между электролитом и проводником в нулевом электрическом поле.
- – Поверхностное натяжение между проводником и внешней средой.
- – Поверхностное натяжение между электролитом и внешней средой.
- – Макроскопический угол контакта между электролитом и диэлектриком.
- – Емкость на площадь границы раздела, є r є 0 /t, для однородного диэлектрика толщиной t и диэлектрической проницаемостью є r
- – Эффективное приложенное напряжение, интеграл электрического поля от электролита к проводнику.
Связь общего поверхностного натяжения с его химическими и электрическими компонентами дает:
Контактный угол определяется уравнением Юнга-Дюпре с единственной сложностью, заключающейся в том, что полная поверхностная энергия используется:
Объединение двух уравнений дает зависимость θ от эффективного приложенного напряжения следующим образом:
Дополнительная сложность заключается в том, что жидкости также демонстрируют явление насыщения: после определенного напряжения, напряжения насыщения, дальнейшее увеличение напряжения не приведет к изменению угла контакта, а при экстремальных напряжениях интерфейс будет проявлять только нестабильность.
Однако поверхностный заряд — это всего лишь один компонент поверхностной энергии, а другие компоненты, безусловно, возмущаются индуцированным зарядом. Таким образом, полное объяснение электросмачивания не поддается количественному определению, но неудивительно, что такие ограничения существуют.
Недавно это было показано Кларманом и др. [21] что насыщение угла контакта можно объяснить как универсальный эффект - независимо от используемых материалов - если электросмачивание наблюдается как глобальное явление, на которое влияет детальная геометрия системы. В рамках этой концепции прогнозируется, что также возможно обратное электросмачивание (угол смачивания увеличивается с увеличением напряжения).
Это также было экспериментально показано Шевалойтом. [22] что насыщение угла контакта инвариантно для всех параметров материалов, что показывает, что при использовании хороших материалов большинство теорий насыщения недействительны. В этой же статье также предполагается, что источником насыщения может быть электрогидродинамическая нестабильность. Эта теория не доказана, но ее предлагают и несколько других групп.
Обратное электросмачивание
[ редактировать ]Обратное электросмачивание [23] может использоваться для сбора энергии по схеме преобразования механики в электротехнику.
Электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью (EWOLF)
[ редактировать ]Другой конфигурацией электросмачивания является электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью . Пленка, наполненная жидкостью, достигается за счет фиксации жидкой смазки в пористой мембране за счет тонкого контроля смачивающих свойств жидкой и твердой фаз. Воспользовавшись преимуществом незначительного закрепления контактной линии на границе раздела жидкость-жидкость, реакцию капли в EWOLF можно электрически решить с повышенной степенью переключаемости и обратимости по сравнению с обычным EWOD. Более того, проникновение жидкой фазы смазки в пористую мембрану также эффективно усиливает вязкостную диссипацию энергии, подавляя колебания капель и приводя к быстрому реагированию без ущерба для желаемой обратимости электросмачивания. Между тем, эффект демпфирования, связанный с EWOLF, можно регулировать, регулируя вязкость и густоту жидкой смазки. [24]
Опто- и фотоэлектросмачивание
[ редактировать ]Оптоэлектросмачивание , [25] [26] и фотоэлектросмачивание [27] оба являются оптически индуцированными эффектами электросмачивания. Оптоэлектросмачивание предполагает использование фотопроводника , тогда как фотоэлектросмачивание использует фотоемкость и может наблюдаться, если проводник в стопке жидкость/изолятор/проводник, используемый для электросмачивания, заменен полупроводником . Оптически модулируя количество носителей в области пространственного заряда полупроводника, можно непрерывно изменять контактный угол капли жидкости. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липпмана.
Материалы
[ редактировать ]По причинам, которые все еще изучаются, только ограниченный набор поверхностей демонстрирует теоретически предсказанное поведение электросмачивания. По этой причине для создания ожидаемого смачивания используются альтернативные материалы, которые можно использовать для покрытия и придания функциональности поверхности. Например, аморфные фторполимеры широко используются в качестве материалов электросмачиваемых покрытий, и было обнаружено, что поведение этих фторполимеров можно улучшить за счет соответствующего поверхностного рисунка. Эти фторполимеры покрывают необходимый проводящий электрод, обычно изготовленный из алюминиевой фольги или оксида индия и олова (ITO), для создания желаемых свойств электросмачивания. [28] Три типа таких полимеров коммерчески доступны: гидрофобные и супергидрофобные полимеры FluoroPel V-серии продаются фирмой Cytonix, CYTOP продаются фирмой Asahi Glass Co. , и Teflon AF продаются фирмой DuPont . Были использованы другие материалы поверхности, такие как SiO2 и золото на стекле. [29] [30] Эти материалы позволяют самим поверхностям действовать как заземлители для электрического тока. [30]
Приложения
[ редактировать ]Электросмачивание в настоящее время используется в широком спектре применений. [31] от модульных до регулируемых линз, электронных дисплеев ( электронная бумага ), электронных уличных дисплеев и переключателей для оптоволокна. Электросмачивание недавно было использовано для манипулирования мягкими веществами , в частности, для подавления эффекта кофейных колец . [32] Кроме того, предложены фильтры с функцией электросмачивания для очистки разливов нефти и разделения водонефтяных смесей. [33]
Международная встреча
[ редактировать ]Международная встреча по электросмачиванию проводится каждые два года. Последняя встреча состоялась 18–20 июня 2018 г. в Университете Твенте, Нидерланды. [34]
Предыдущими хозяевами встречи по электросмачиванию были: Монс (1999 г.), Эйндховен (2000 г.), Гренобль (2002 г.), Блаубойрен (2004 г.), Рочестер (2006 г.), Лос-Анджелес (2008 г.), Пхохан (2010 г.), Афины (2012 г.), Цинциннати (2014 г.), Тайбэй (2016 г.).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Габриэль Липпманн, «Связь между электрическими и капиллярными явлениями». Энн. хим. Физика, 5:494, 1875 г.
- ^ A. Frumkin, Об явлениях смачивания и прилипания пузырьков, I (On the phenomena of wetting and adhesion of the bubbles, I). Zhurnal Fizicheskoi Khimii (J Phys Chem USSR), 12: 337-345 (1938).
- ^ Бени, Г. ; Хаквуд, С. (15 февраля 1981 г.). «Электросмачивающие дисплеи». Письма по прикладной физике . 38 (4). Издательство АИП: 207–209. Бибкод : 1981ApPhL..38..207B . дои : 10.1063/1.92322 . ISSN 0003-6951 .
- ^ [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Патент США 6143496 , Браун и др., «Способ отбора проб, амплификации и количественного определения сегмента нуклеиновой кислоты, сборка полимеразной цепной реакции с камерами для образцов размером нанолитр и способ заполнения сборки», выдан 7 ноября 2000 г.
- ^ Б. Берге, «Электрокапиллярность и смачивание изолирующих пленок водой», CR Acad. наук. Париж, т. 317, серия II, с. 157-163, 1993.
- ^ Jump up to: а б Дж. Ли, «Микроактивация путем непрерывного электросмачивания и электросмачивания: теория, изготовление и демонстрация», докторская диссертация, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, 2000 г.
- ^ С. Арскотт «Электропропитание и полупроводники» RSC Advances 4, 29223 (2014). два : 10.1039/C4RA04187A .
- ^ К. Пальма и Р. Диган «Электропромачивание полупроводников» Appl. Физ. Летт. 106, 014106 (2015). дои : 10.1063/1.4905348 .
- ^ С. Арскотт и М. Годе «Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник» Appl. Физ. Летт. 103, 074104 (2013). дои : 10.1063/1.4818715 .
- ^ Дж. Ли и К.-Дж. Ким, « Жидкостный микромотор, приводимый в движение непрерывным электросмачиванием », Proc. Семинар IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Гейдельберг, Германия, январь 1998 г., стр. 538–543.
- ^ Поллак, Майкл Г.; Фэйр, Ричард Б.; Шендеров, Александр Д. (11 сентября 2000 г.). «Приведение в действие капель жидкости на основе электросмачивания для микрофлюидных применений». Письма по прикладной физике . 77 (11). Издательство АИП: 1725–1726 гг. Бибкод : 2000ApPhL..77.1725P . дои : 10.1063/1.1308534 . ISSN 0003-6951 .
- ^ С.-К. Фан, П.-П. де Гузман и К.-Ж. Ким, «Управление каплей EWOD на сетке NxM с использованием однослойных рисунков электродов», Tech. Dig., Семинар по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, Хилтон-Хед-Айленд, Южная Каролина, июнь 2002 г., стр. 134–137.
- ^ Дж. Гонг и К.-Дж. Ким, « Двумерная цифровая микрофлюидная система на основе многослойной печатной платы », Proc. Конференция IEEE. MEMS, Орландо, Флорида, январь 2005 г., стр. 726–729.
- ^ К.-Дж. Ким, «Интегрированные цифровые микрожидкостные схемы, работающие по принципу электросмачивания на диэлектриках (EWOD)», выдана в 2000 году Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA), номер награды N66001-0130-3664.
- ^ К.-Дж. Ким, «Микронасос посредством электросмачивания», Труды Международного конгресса и выставки машиностроения ASME, ноябрь 2001 г., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, IMECE2001/HTD-24200.
- ^ М.Г. Поллак, Микроактивация капель на основе электросмачивания для цифровой микрофлюидики, докторская диссертация, Университет Дьюка, 2001.
- ^ Чо, СК; Мун, Х.; Ким, К.-Дж. (2003). «Создание, транспортировка, разрезание и объединение капель жидкости путем приведения в действие на основе электросмачивания для цифровых микрофлюидных схем». Журнал микроэлектромеханических систем . 12 (1). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 70–80. дои : 10.1109/jmems.2002.807467 . ISSN 1057-7157 .
- ^ Чанг, ХК; Йе, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
- ^ Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномеханика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0 . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 г. Проверено 8 января 2011 г.
- ^ Кларман, Дэн; Андельман, Дэвид; Урбах, Михаил (17 мая 2011 г.). «Модель электросмачивания, обратного электросмачивания и насыщения угла контакта». Ленгмюр . 27 (10): 6031–6041. arXiv : 1102.0791 . Бибкод : 2011arXiv1102.0791K . дои : 10.1021/la2004326 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 21510663 . S2CID 18448044 .
- ^ Шевальо, Стефани; Койпер, Штейн; Хайкенфельд, Джейсон (2012). «Экспериментальное подтверждение инвариантности насыщения контактного угла электросмачивания» (PDF) . Журнал адгезионной науки и техники . 26 (12–17). Брилл: 1–22. дои : 10.1163/156856111x599580 . ISSN 0169-4243 . S2CID 1760297 . Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2012 г.
- ^ Крупенкин, Том; Тейлор, Дж. Эшли (23 августа 2011 г.). «Обратное электросмачивание как новый подход к сбору мощной энергии» . Природные коммуникации . 2 (1). Springer Science and Business Media LLC: 448. Бибкод : 2011NatCo...2..448K . дои : 10.1038/ncomms1454 . ISSN 2041-1723 . ПМК 3265368 . ПМИД 21863015 .
- ^ Хао, Чонглей; Лю, Яхуа; Чен, Сюэмэй; Он, Юньчэн; Ли, Цюшэн; Ли, Кентукки; Ван, Цзуанкай (30 октября 2014 г.). «Электросмачивание на пленке, пропитанной жидкостью (EWOLF): полная обратимость и контролируемое подавление колебаний капель для быстрого получения оптических изображений» . Научные отчеты . 4 (1). Springer Science and Business Media LLC: 6846. arXiv : 1409.6989 . Бибкод : 2014NatSR...4E6846H . дои : 10.1038/srep06846 . ISSN 2045-2322 . ПМК 4213809 . ПМИД 25355005 .
- ^ Чиу, Пей Ю; Мун, Хеджин; Тосиёси, Хироши; Ким, Чан-Джин; Ву, Мин К. (2003). «Световое воздействие жидкости путем оптоэлектросмачивания». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 104 (3). Эльзевир Б.В.: 222–228. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00024-4 . ISSN 0924-4247 .
- ^ Пак Сон Ён; Тейтелл, Майкл А.; Чиу, Эрик П.Ю. (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипуляций с каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе . 10 (13). Королевское химическое общество (RSC): 1655–61. дои : 10.1039/c001324b . ISSN 1473-0197 . ПМИД 20448870 .
- ^ Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей светом: фотоэлектросмачивание полупроводников» . Научные отчеты . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Бибкод : 2011НатСР...1Е.184А . дои : 10.1038/srep00184 . ISSN 2045-2322 . ПМК 3240946 . ПМИД 22355699 .
- ^ Ян, Чун-Гуан; Сюй, Чжан-Жунь; Ван, Цзянь-Хуа (февраль 2010 г.). «Манипулирование каплями в микрофлюидных системах». TrAC Тенденции в аналитической химии . 29 (2): 141–157. дои : 10.1016/j.trac.2009.11.002 .
- ^ Брабцова, Зузана; Макхейл, Глен; Уэллс, Гэри Г.; Браун, Карл В.; Ньютон, Майкл И. (20 марта 2017 г.). «Электрическое поле вызывает обратимое растекание капель в пленки на пропитанных смазкой поверхностях» . Письма по прикладной физике . 110 (12): 121603. Бибкод : 2017АпФЛ.110л1603Б . дои : 10.1063/1.4978859 .
- ^ Jump up to: а б Лу, Йи; Сур, Аритра; Пассенте, Кармен; Рави Аннапрагада, С.; Руххофт, Пол; Лю, Донг (март 2017 г.). «Динамика движения капель, вызванного электросмачиванием» . Международный журнал тепломассообмена . 106 : 920–931. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.10.040 .
- ^ «Вариоптик — компания по производству жидких линз | Технология жидких линз» . Архивировано из оригинала 5 марта 2011 г.
- ^ Х.Бурак Эрал, Д.Мампаллил, MHG Duits, Ф. Мугеле «Подавление эффекта кофейного пятна: как контролировать коллоидную самосборку в испаряющихся каплях с помощью электросмачивания», Soft Matter, 2011, 7, 4954–4958 , дои : 10.1039/C1SM05183K
- ^ Х. Бурак Эрал, Р. Руитер, Дж. Руитер, Дж. М. О, К. Семпребон, М. Бринкманн, Ф. Мугеле, «Обратимые морфологические переходы капли на волокне», Soft Matter, 2011, 7 (11) , 5138 – 5143 , дои : 10.1039/C0SM01403F
- ^ Международная конференция по электросмачиванию 2018 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Лаборатория Fan-TASY в Национальном Тайваньском университете (архивировано в 2020 г.)
- Лаборатория микрофлюидики Уиллера в Университете Торонто
- Лаборатория цифровой микрофлюидики в Университете Дьюка
- Физика сложных жидкостей в Университете Твенте
- Схема, поясняющая электросмачивание
- Прогресс в области электросмачиваемых дисплеев
- Лаборатория наноэлектроники в UC NanoLab, Университет Цинциннати
- Liquidvista с низкочастотным электросмачиванием, 6,2-дюймовый дисплей
- Полная разработка систем и устройств со специализацией в прототипировании электросмачивания. Сотрудничество с Университетом Цинциннати.