Электросмачивание — это изменение смачивающих свойств поверхности (которая обычно является гидрофобной ) под действием приложенного электрического поля .
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]
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:
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 [23] можно использовать для сбора энергии по схеме преобразования механики в электротехнику.
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]
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.
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]
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 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.).