stringtranslate.com

Электросмачивание

Электросмачивание — это изменение смачивающих свойств поверхности (которая обычно является гидрофобной ) под действием приложенного электрического поля .

История

Электросмачивание ртути и других жидкостей на переменно заряженных поверхностях, 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 Г. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа устройства отображения, для которого они получил патент. [3] Использование «жидкостного транзистора» в микрофлюидных схемах для управления химическими и биологическими жидкостями было впервые исследовано Дж. Брауном в 1980 году, а затем финансировалось в 1984–1988 годах в рамках грантов NSF 8760730 и 8822197, [4] с использованием изолирующих диэлектриков и гидрофобный слой(и) (EWOD), несмешивающиеся жидкости, мощность постоянного или радиочастотного тока; 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 Шоттки». [10]

Микрофлюидное манипулирование жидкостями посредством электросмачивания было продемонстрировано сначала на каплях ртути в воде [11] , а затем на воде в воздухе [7] и воде 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 методом электросмачивания на диэлектрике (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Муном и Кимом. [18]

Теория электросмачивания

Жидкость, изолятор, подложка

Эффект электросмачивания был определен как «изменение угла контакта твердого электролита 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, единственная сложность заключается в том, что используется полная поверхностная энергия:

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. В [21] показано, 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).

Шевалойт [22] также экспериментально показал , что насыщение угла контакта инвариантно для всех параметров материалов, тем самым показывая, 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

Обратное электросмачивание [23] можно использовать для сбора энергии по схеме преобразования механики в электротехнику.

Электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью (EWOLF)

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 фазы жидкой 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

Оптоэлектросмачивание [ 25] [26] и фотоэлектросмачивание [27] являются оптически индуцированными эффектами электросмачивания. Оптоэлектросмачивание включает 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 объемного заряда полупроводника, можно непрерывно изменять контактный угол капли жидкости. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липпмана.

Материалы

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 Cytonix, CYTOP продаются Asahi Glass Co. , и Teflon AF продаются DuPont . Использовались и другие материалы поверхности, такие как SiO2 и золото на стекле. [29] [30] Эти материалы позволяют самим поверхностям действовать как заземляющие электроды для электрического тока. [30]

Приложения

Электросмачивание сейчас используется в широком спектре применений, [31] от модульных до регулируемых линз, электронных дисплеев ( электронная бумага ), электронных наружных дисплеев и переключателей для оптоволокна. Электросмачивание недавно было использовано для манипулирования мягкими веществами , в частности, для подавления эффекта кофейных колец . [32] Кроме того, фильтры с функцией электросмачивания были предложены для очистки разливов нефти и разделения водонефтяных смесей. [33]

Международная встреча

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.).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Габриэль Липпманн, «Отношения между электрическими явлениями и капиллярами». Анна. Хим. Физика, 5:494, 1875 г.
  2. ^ А. Фрумкин, Об явлениях смачивания и прилипания пузырьков, I (О явлениях смачивания и слипания пузырьков, I). Журнал Физической Химии (ЖФХ СССР), 12: 337-345 (1938).
  3. ^ Бени, Г .; Хаквуд, С. (15 февраля 1981 г.). «Электросмачивающие дисплеи». Письма по прикладной физике . Издательство АИП. 38 (4): 207–209. Бибкод : 1981ApPhL..38..207B. дои : 10.1063/1.92322. ISSN  0003-6951.
  4. ^ [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ 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. 
  6. ^ Б. Берге, "Электрокапиллярность и изоляция пленок по воде", CR Acad. наук. Париж, т. 317, Серия II, с. 157-163, 1993.
  7. ^ аб Дж. Ли, «Микроактивация путем непрерывного электросмачивания и электросмачивания: теория, изготовление и демонстрация», докторская диссертация, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, 2000 г.
  8. ^ С. Арскотт «Электропропитание и полупроводники» RSC Advances 4, 29223 (2014). дои : 10.1039/C4RA04187A.
  9. ^ К. Пальма и Р. Диган «Электропромачивание полупроводников» Appl. Физ. Летт. 106, 014106 (2015). дои : 10.1063/1.4905348.
  10. ^ С. Арскотт и М. Годе «Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник» Appl. Физ. Летт. 103, 074104 (2013). дои : 10.1063/1.4818715.
  11. ^ 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.
  12. ^ 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 . Издательство АИП. 77 (11): 1725–1726. Бибкод : 2000ApPhL..77.1725P. дои : 10.1063/1.1308534. ISSN  0003-6951.
  13. ^ 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ К.-Дж. Ким, «Интегрированные цифровые микрожидкостные схемы, работающие по принципу электросмачивания диэлектриков (EWOD)», выдана в 2000 году Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA), номер награды N66001-0130-3664.
  16. ^ К.-Дж. Ким, «Микронасос посредством электросмачивания», Труды Международного конгресса и выставки машиностроения ASME, ноябрь 2001 г., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, IMECE2001/HTD-24200.
  17. ^ М.Г. Поллак, Микроактивация капель на основе электросмачивания для цифровой микрофлюидики, докторская диссертация, Университет Дьюка, 2001.
  18. ^ 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 . Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). 12 (1): 70–80. doi : 10.1109/jmems.2002.807467. ISSN  1057-7157.
  19. ^ Чанг, ХК; Йе, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
  20. ^ 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.
  21. ^ 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. PMID  21510663. S2CID  18448044.
  22. ^ Шевальо, Стефани; Койпер, Штейн; Хайкенфельд, Джейсон (2012). «Экспериментальное подтверждение инвариантности насыщения контактного угла электросмачивания» (PDF) . Журнал адгезионной науки и техники . Брилл. 26 (12–17): 1–22. дои : 10.1163/156856111x599580. ISSN  0169-4243. S2CID  1760297. Архивировано из оригинала (PDF) 14 июля 2012 г.
  23. ^ Крупенкин, Том; Тейлор, Дж. Эшли (23 августа 2011 г.). «Обратное электросмачивание как новый подход к сбору мощной энергии». Природные коммуникации . ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». 2 (1): 448. Бибкод : 2011NatCo...2..448K. дои : 10.1038/ncomms1454 . ISSN  2041-1723. ПМК 3265368 . ПМИД  21863015. 
  24. ^ Хао, Чонглей; Лю, Яхуа; Чен, Сюэмэй; Он, Юньчэн; Ли, Цюшэн; Ли, Кентукки; Ван, Цзуанкай (30 октября 2014 г.). «Электропромачивание на пленке, пропитанной жидкостью (EWOLF): полная обратимость и контролируемое подавление колебаний капель для быстрого получения оптических изображений». Научные отчеты . ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». 4 (1): 6846. arXiv : 1409,6989 . Бибкод : 2014NatSR...4E6846H. дои : 10.1038/srep06846 . ISSN  2045-2322. ПМЦ 4213809 . ПМИД  25355005. 
  25. ^ 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 . Эльзевир Б.В. 104 (3): 222–228. дои : 10.1016/s0924-4247(03)00024-4. ISSN  0924-4247.
  26. ^ 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 . Королевское химическое общество (RSC). 10 (13): 1655–61. дои : 10.1039/c001324b. ISSN  1473-0197. ПМИД  20448870.
  27. ^ Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей со 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. 
  28. ^ 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.
  29. ^ 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 : 2017ApPhL.110l1603B. дои : 10.1063/1.4978859 .
  30. ^ Аб 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 .
  31. ^ «Varioptic - компания по производству жидких линз | Технология жидких линз» . Архивировано из оригинала 5 марта 2011 г.
  32. ^ Х.Бурак Эрал, Д.Мампаллил, MHG Duits, Ф. Мугеле «Подавление эффекта кофейных пятен: как контролировать коллоидную самосборку в испаряющихся каплях с помощью электросмачивания», Soft Matter, 2011, 7, 4954–4958, doi : 10.1039/C1SM05183K
  33. ^ 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, номер документа : 10.1039/C0SM01403F
  34. ^ Международная конференция по электросмачиванию 2018 г.

Внешние ссылки