Электрораспыление

Аппарат, который использует электричество для распыления жидкости в виде мелкодисперсного аэрозоля.

Название «электроспрей» используется для обозначения аппарата, который использует электричество для распыления жидкости, или для мелкодисперсного аэрозоля, получаемого в результате этого процесса. Высокое напряжение подается на жидкость, подаваемую через излучатель (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая кончика излучателя, образует конус Тейлора , который испускает струю жидкости через свою вершину. Варикозные волны на поверхности струи приводят к образованию мелких и сильно заряженных капель жидкости, которые радиально рассеиваются из-за кулоновского отталкивания.

История

В конце XVI века Уильям Гилберт ^[1] приступил к описанию поведения магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного куска янтаря капля воды деформировалась в конус. Этот эффект явно связан с электрораспылением, хотя Гилберт не зафиксировал никаких наблюдений, связанных с дисперсией жидкости под действием электрического поля.

В 1750 году французский священник и физик Жан-Антуан (аббат) Нолле заметил, что вода, вытекающая из сосуда, может распыляться, если сосуд электрифицировать и поместить рядом с электрическим заземлением. ^[2]

В 1882 году лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости; ^[3] теперь это известно как «предел Рэлея». Его предсказание о том, что капля, достигшая этого предела, будет выбрасывать тонкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более 100 лет спустя. ^[4]

В 1914 году Джон Зелени опубликовал работу о поведении капель жидкости на конце стеклянных капилляров. ^[5] В этом отчете представлены экспериментальные доказательства нескольких режимов работы электрораспыления (капание, взрыв, пульсация и конусная струя). Несколько лет спустя Зелени получил первые покадровые изображения динамического жидкостного мениска. ^[6]

Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Ингрэм Тейлор разработал теоретическую основу электрораспыления. ^{[7] [8] [9]} Тейлор смоделировал форму конуса, образованного каплей жидкости под воздействием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора . Он также работал с Дж. Р. Мелчером над разработкой «модели протекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей. ^[10]

Число публикаций об электрораспылении начало значительно расти около 1990 года (как показано на рисунке справа), когда Джон Фенн (лауреат Нобелевской премии по химии 2002 года) и другие открыли ионизацию электрораспылением для масс-спектрометрии .

log(N+1) количество публикаций об электрораспылении по годам: патентные семейства из Questel-Orbit, непатентные из Web of Science и из SciFinder-N.

Механизм

Крупный план электрораспылительного устройства с наконечником эмиттера на переднем плане, направленным вправо. Струя ионизированного распыления видна на изображении.

Для упрощения обсуждения в следующих параграфах будет рассмотрен случай положительного электрораспыления с высоким напряжением, приложенным к металлическому эмиттеру. Рассматривается классическая установка электрораспыления, при этом эмиттер расположен на расстоянии от заземленного противоэлектрода. Распыляемая жидкость характеризуется вязкостью , поверхностным натяжением , проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью . ${\displaystyle d\,}$ ${\displaystyle (\mu )\,}$ ${\displaystyle (\gamma )\,}$ ${\displaystyle (\kappa )\,}$ ${\displaystyle (\epsilon _{r})\,}$

Влияние малых электрических полей на мениски жидкости

Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает полусферическую форму на кончике эмиттера. Приложение положительного напряжения индуцирует электрическое поле: ^[11] ${\displaystyle V\,}$

${\displaystyle E={2V \over r\ln(4d/r)}}$

где — радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные/положительные носители заряда мигрируют к/от электрода, к которому приложено напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой равновесной геометрии с меньшим радиусом кривизны. ${\displaystyle r\,}$

Конус Тейлора

Напряжения выше порогового значения втягивают жидкость в конус. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, основанную на предположениях, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в устойчивом состоянии равновесия. ^[7] Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальную симметрию и иметь зависимость, чтобы уравновесить поверхностное натяжение и создать конус. Решение этой проблемы: ${\displaystyle R^{1/2}\,}$

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

где (эквипотенциальная поверхность) существует при значении (независимо от R), создавая эквипотенциальный конус. Магический угол, необходимый для для всех R, является нулем полинома Лежандра порядка 1/2, . Между 0 и 130,7099° есть только один ноль , который является дополнением к теперь уже известному углу Тейлора 49,3°. ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ ${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$ ${\displaystyle \pi \,}$

Развитие сингулярности

Вершина конического мениска не может стать бесконечно малой. Сингулярность возникает, когда время гидродинамической релаксации становится больше времени релаксации заряда . ^[12] Неопределенные символы обозначают характерную длину и диэлектрическую проницаемость вакуума . Из-за внутренней варикозной неустойчивости заряженная струя жидкости, выбрасываемая через вершину конуса, распадается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются пространственным зарядом. ${\displaystyle \tau _{H}={\mu r \over \gamma }}$ ${\displaystyle \tau _{C}={\epsilon _{r}\epsilon _{0} \over \kappa }}$ ${\displaystyle (r)\,}$ ${\displaystyle (\epsilon _{0})\,}$

Замыкание электрической цепи

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается на противоэлектроде в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы сбалансировать потерю заряда, избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически на эмиттере. Дисбаланс между количеством заряда, генерируемого электрохимически, и количеством заряда, теряемого на вершине конуса, может привести к нескольким режимам работы электрораспыления. Для электрораспыления конус-струя потенциал на границе раздела металл/жидкость саморегулируется для генерации того же количества заряда, что и потерянное через вершину конуса. ^[13]

Приложения

Электрораспылительная ионизация

Электрораспыление стало широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенна успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул. ^[14]

Источник ионов жидкого металла

Источник ионов жидкого металла (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионов . ^{[15] [16]} Ионы производятся путем испарения поля на кончике конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионной имплантации и в сфокусированных ионно-лучевых приборах.

Электропрядение

Подобно стандартному электрораспылению, приложение высокого напряжения к полимерному раствору может привести к образованию конусно-струйной геометрии. Если струя превращается в очень тонкие волокна вместо того, чтобы распадаться на мелкие капли, этот процесс называется электропрядением .

Коллоидные двигатели

Методы электрораспыления используются в качестве электроракетных двигателей малой тяги для управления спутниками , поскольку точно контролируемый выброс частиц обеспечивает точную и эффективную тягу.

Нанесение частиц наноструктур

Электрораспыление может использоваться в нанотехнологиях , ^[17] например, для осаждения отдельных частиц на поверхности. Это делается путем распыления коллоидов , в среднем содержащих только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя аэрозольный поток отдельных частиц нужного типа. Ионизирующее свойство процесса не имеет решающего значения для применения, но может использоваться при электростатическом осаждении частиц.

Осаждение ионов как прекурсоров наночастиц и наноструктур

Вместо осаждения наночастиц , наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены in situ путем осаждения ионов металлов в желаемых местах. Электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ считались механизмом формирования наноструктур.

Изготовление носителей лекарств

Электрораспыление привлекло внимание в области доставки лекарств и использовалось для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапии ^[18], а также липоплексы, используемые для доставки нуклеиновых кислот . ^[19] Частицы лекарств размером менее микрометра, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, а значит, повышенной биодоступностью из-за увеличенной площади поверхности. ^[20] Таким образом, побочные эффекты лекарств могут быть уменьшены, поскольку для того же эффекта достаточно меньшей дозировки.

Очистители воздуха

Электрораспыление используется в некоторых очистителях воздуха . Взвешенные в воздухе частицы могут быть заряжены с помощью электрораспыления аэрозоля, обработаны электрическим полем и собраны на заземленном электроде. Такой подход минимизирует образование озона , что является обычным для других типов очистителей воздуха.

Смотрите также

• Фокусировка потока

Ссылки

1. Гилберт, В.; Гетцке, Г.; Лохманн, В.; Роллос, П.; Халлерворд, Дж. (1628 г.). Tractatus Siue Physiologia Nova De Magnete, Magneticisqve Corporibvs Et Magno Magnete Tellure: Sex libris comprehensus [ О магните и магнитных телах, и об этом великом магните - Земле ] (на латыни). OCLC  894978464.
2. Гримм, Рональд Л. (2006). "2 Обзор предыдущих исследований динамики заряженных частиц, капель в электрических полях и ионизации электрораспылением". Фундаментальные исследования механизмов и приложений масс-спектрометрии с ионизацией капель, индуцированной полем, и масс-спектрометрии с электрораспылением (PDF) (Ph.D.). Калифорнийский технологический институт . Получено 17 мая 2013 г.
3. Рэлей, Л. (1882). «О равновесии жидких проводящих масс, заряженных электричеством» (PDF) . Philosophical Magazine . 14 (1): 184–6. doi :10.1080/14786448208628425.
4. Гомес, А; Тан, К (1994). «Заряд и деление капель в электростатических спреях». Physics of Fluids . 6 (1): 404–414. Bibcode : 1994PhFl....6..404G. doi : 10.1063/1.868037.
5. Зелени, Дж. (1914). «Электрический разряд из жидких точек и гидростатический метод измерения электрической напряженности на их поверхностях». Physical Review . 3 (2): 69. Bibcode : 1914PhRv....3...69Z. doi : 10.1103/PhysRev.3.69.
6. Зелени, Дж. (1917). «Неустойчивость электрифицированных жидких поверхностей». Physical Review . 10 (1): 1–6. Bibcode :1917PhRv...10....1Z. doi :10.1103/PhysRev.10.1.
7. Тейлор, Джеффри (1964). «Распад капель воды в электрическом поле». Труды Королевского общества A. 280 ( 1382): 383–397. Bibcode : 1964RSPSA.280..383T. doi : 10.1098/rspa.1964.0151. JSTOR  2415876.
8. Тейлор, Г. (1965). «Сила, действующая электрическим полем на длинный цилиндрический проводник». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 291 (1425): 145–158. Bibcode : 1966RSPSA.291..145T. doi : 10.1098/rspa.1966.0085.
9. Тейлор, Джеффри Ингрэм; Ван Дайк, доктор медицины (1969). «Электрически управляемые реактивные двигатели». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 313 (1515): 453–475. Bibcode : 1969RSPSA.313..453T. doi : 10.1098/rspa.1969.0205.
10. Мельчер, Дж. Р.; Тейлор, Г. (1969). «Электрогидродинамика: обзор роли межфазных сдвиговых напряжений». Annual Review of Fluid Mechanics . 1 (1): 111–146. doi :10.1146/annurev.fl.01.010169.000551.
11. Лёб, Л. Б.; Кип, А. Ф.; Хадсон, Г. Г.; Беннетт, WH (1941). «Импульсы в отрицательной короне точка-плоскость». Physical Review . 60 (10): 714–722. Bibcode :1941PhRv...60..714L. doi :10.1103/PhysRev.60.714.
12. Фернандес де ла Мора, Х.; Лоссерталес, И.Г. (1994). «Ток, излучаемый высокопроводящими конусами Тейлора». Журнал механики жидкости . 260 : 155–184. Bibcode : 1994JFM...260..155D. doi : 10.1017/S0022112094003472.
13. Ван Беркель, ГДж; Чжоу, ФМ (1995). «Характеристика источника электрораспылительных ионов как электролитической ячейки с контролируемым током». Аналитическая химия . 67 (17): 2916–23. doi :10.1021/ac00113a028.
14. Fenn, JB; Mann, M.; Meng, CK; Wong, SF; Whitehouse, CM (2007). «Электроспрейная ионизация для масс-спектрометрии больших биомолекул». Science . 246 (4926): 64–71. Bibcode :1989Sci...246...64F. CiteSeerX 10.1.1.522.9458 . doi :10.1126/science.2675315. PMID  2675315. 
15. Swanson, LW (1983). "Источники ионов жидких металлов: механизм и применение". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 218 (1–3): 347–353. Bibcode :1983NIMPR.218..347S. doi :10.1016/0167-5087(83)91005-0. ISSN  0167-5087.
16. Clampitt, R. (1981). «Достижения в области источников ионов на основе расплавленных металлов». Ядерные приборы и методы в исследованиях физики . 189 (1): 111–6. Bibcode : 1981NIMPR.189..111C. doi : 10.1016/0029-554X(81)90132-4. ISSN  0167-5087.
17. Салата, О. В. (2005). «Инструменты нанотехнологии: Электрораспыление». Current Nanoscience . 1 (1): 25–33. Bibcode : 2005CNan....1...25S. doi : 10.2174/1573413052953192.
18. Дуонг, АД (2013). «Электросакральная инкапсуляция агониста Toll-подобного рецептора резиквимода в полимерные микрочастицы для лечения висцерального лейшманиоза». Молекулярная фармацевтика . 10 (3): 1045–55. doi :10.1021/mp3005098. PMC 3857017. PMID 23320733  . 
19. Wu, Y. (2009). «Коаксиальное электрогидродинамическое распыление: новая одношаговая технология приготовления инкапсулированных олигодезоксинуклеотидом липоплексных наночастиц». Молекулярная фармацевтика . 6 (5): 1371–9. doi :10.1021/mp9000348. PMID  19499922.
20. Радачи, Н.; Амбрус, Р.; Шунег, Т.; Сабо-Ревес, П.; Станкевич А.; ван дер Хейден, А.; тер Хорст, Дж. Х. (2012). «Кристаллизация электроспрей для наноразмерных фармацевтических препаратов с улучшенными свойствами». Рост и дизайн кристаллов . 12 (7): 3514–20. дои : 10.1021/cg300285w.