Puentes líquidos electrohidrodinámicos horizontales y verticales son herramientas simples y poderosas para explorar la interacción de campos eléctricos de alta intensidad y líquidos dieléctricos polares. La construcción del aparato básico y ejemplos operativos, incluidas las imágenes termográficas, para tres líquidos (por ejemplo, agua, DMSO y glicerol) se presenta.
Puentes horizontales y verticales líquido son herramientas simples y poderosas para explorar la interacción de campos eléctricos de alta intensidad (8-20 kV / cm) y líquidos dieléctricos polares. Estos puentes son únicos de los puentes capilares en que se caracterizan extensibilidad más allá de unos pocos milímetros, tienen patrones de transferencia de masa bi-direccionales complejos, y emitir no Planck radiación infrarroja. Un número de disolventes comunes puede formar tales puentes, así como soluciones de baja conductividad y suspensiones coloidales. El comportamiento macroscópico se rige por la electrohidrodinámica y proporciona un medio de estudio de los fenómenos de flujo de fluido sin la presencia de paredes rígidas. Antes de la aparición de un puente de varios fenómenos líquido se pueden observar importantes incluyendo el avance de la altura del menisco (electrowetting), la circulación de fluido a granel (el efecto Sumoto), y la eyección de gotitas cargadas (electropulverización). La interacción entre la superficie, la polarización, y las fuerzas de desplazamiento puede ser examinada directamente porvariando la tensión aplicada y la longitud del puente. El campo eléctrico, asistido por la gravedad, estabiliza el puente líquido contra las inestabilidades de Rayleigh-Plateau. Construcción del aparato básico tanto para la orientación vertical y horizontal, junto con ejemplos de funcionamiento, incluidas las imágenes termográficas, para tres líquidos (por ejemplo, agua, DMSO y glicerol) se presenta.
La interacción entre los campos eléctricos y los resultados de la materia líquida en una serie de fuerzas cambiantes dentro de la masa de material. En los sistemas de dieléctrico líquido reales, los gradientes de campo no despreciables y ruptura de la simetría geometrías como resultado una serie de efectos aparentemente peculiares. Hertz fue uno de los primeros en observar el movimiento de rotación en sistemas dieléctricos líquidos-sólidos 1. Quincke observó que la tensión interfacial entre dos líquidos no sólo se cambió por la aplicación de un campo eléctrico externo, sino que este cambio resultó en el esfuerzo de las fuerzas en el cuerpo de fluido y podría ser utilizado para inducir el movimiento de rotación 2. Armstrong descubrió el puente de agua flotante en 1893 3, que sigue siendo un truco de fiesta enigmática hasta hace poco cuando Fuchs y colaboradores exploraron la mecánica de transporte de masa y de carga 4,5 y reabrieron la investigación científica seria sobre los mecanismos por los cuales se forman estos puentes. Los campos eléctricos tienen la ability para levantar líquidos contra la fuerza de la gravedad como la obra de Pellat en aumento líquido dieléctrico entre los electrodos de placas paralelas muestra 6. Esta acción de elevación muestra una dependencia de la frecuencia y en última instancia puede ser descrito a través de la tensión tensor de Maxwell 7. Esto es importante cuando se considera el aumento del nivel del líquido asociado con electrohidrodinámicos (EHD) puentes líquidos que, bajo condiciones de corriente alterna no muestran una dependencia de la frecuencia 8 similar a electrowetting el dieléctrico (EWOD) y dielectroforética (DEP) de flujo de masa 9. Además, la aplicación de campos eléctricos de alto potencial es importante para controlar chorro de líquido romper y la interacción del campo eléctrico con líquidos es esencial para la comprensión del proceso industrialmente importante de atomización electrospray 10,11.
Un campo eléctrico externo no sólo influyen en la energía de superficie. Debido a la acción de la polarización y la tensión de corte, los patrones de flujo puedense establezcan. Un ejemplo es la circulación de líquidos en la presencia de campos eléctricos no homogéneos. Por la presente corrientes electroconvective se establecen en el granel líquido impulsado por tensiones tangenciales. Sumoto demostró que un motor de fluido podría ser construido usando un rotor de vidrio que contiene ya sea un líquido polar o una barra de metal sumergido en un baño dieléctrica no polar y colocado dentro de un campo eléctrico no homogéneo 12. El análisis posterior por Okano utilizó una aproximación campo homogéneo 13 para resolver el problema de rotación que sólo podría coincidir cualitativamente los resultados experimentales y los líquidos dieléctricos requiere para responder como una masa singular. Otros investigadores en el tema perdido el punto del todo, ya que erróneamente informaron y analizaron el efecto Sumoto como un nivel de líquido aumente 14-16 en respuesta a los trabajos de campo eléctrico por primera vez por Pellat 17. La importancia de la simetría superficie de romper para el proceso de localización de la carga y de cizallamiento generada Stress 18 es esencial para comprender la investigación sobre puentes EHD líquidos. El tratado de Melcher en electromecánica continuo 19 ofrece una base teórica completa para el tratamiento de líquidos a granel y simplifica las superficies libres en el plazo homogéneo isótropo. La importancia de las superficies es, no obstante claro, incluso desde el punto de vista continuo como la pérdida de los resultados de simetría en la tensión de cizallamiento que pueden generar movimiento a granel. Tomado en el caso general de los volúmenes de fluido móviles discretos que pueden ser polarizados y están sujetos a la fuerza de reacción resultante al aproximarse a la superficie, la interacción del campo eléctrico puede ser sustituido en tanto las ecuaciones de Navier-Stokes 20 y Bernoulli 7,21,22 relaciones para describir la multitud de fenómenos de flujo EHD incluyendo puentes líquidos. Continuando el estudio de puentes líquidos puede mejorar una serie de tecnologías basadas EHD como inyeccion de tinta 23-25, micro-y nano-materiales de procesamiento 26-28, la administración de fármacos 29, 30, 31,32, aplicaciones biomédicas y de desalinización 33.
Los métodos descritos aquí proporcionan acceso a la formación de puentes líquidos EHD que se encuentran en líquidos polares cuyas moléculas poseen un momento dipolar permanente. Los resultados no homogéneas de campo eléctrico impuestas en una polarización parcial de la población dipolo produciendo un cambio local de permitividad dieléctrica por lo tanto reforzando gradientes de campo 18,34,35. Esta polarización da lugar a una fuerza de desplazamiento que, dependiendo de la intensidad relativa del campo aplicado generará un número de respuestas diferentes líquidos (ver Figuras 4-7) finalmente resulta en la formación de un puente. El líquido también desarrollará un flujo de Taylor 22,36 a lo largo de las superficies de los electrodos especialmente en los casos donde hay un borde afilado presente en los electrodos. La posibilidad de inyección de carga en los bordes afilados también existe y es consistente con laformación de capas heterocharge que generan corrientes electroconvective en la mayor parte de líquido 22 que unen de este modo el sistema de puente líquido con el efecto Sumoto 12. Las relaciones EHD que rigen para los puentes están ampliamente cubiertos en otras partes de agua y otros líquidos polares 22,36-38. Estos enfoques teóricos sufren ciertas limitaciones que deben tenerse en cuenta cuando se acerque a los datos experimentales. El Maxwell estrés tratamiento tensor 36 es insensible a las heterogeneidades de campo, así como la falta de uniformidad en el puente líquido. Un enfoque EHD pura 37 proporciona definiciones de estado estacionario del número electrogravitatoria y su relación con la relación de aspecto del puente; Sin embargo, la dinámica de flujo y importante fenómenos transitorios (por ejemplo, la creación de puente) no se predicen. Tres números adimensionales son útiles en el análisis de la estabilidad del puente y se derivan aquí como previamente publicado por Marín y Lohse 37 </sarriba>. El número electrocapilar (Ca E) es que se define como la relación entre las fuerzas eléctricas y capilares:
donde ε 0 es la permitividad del vacío, ε r la permitividad dieléctrica relativa del líquido, E t es el campo eléctrico a través del puente, γ es la tensión superficial, d s d e l son las proyecciones verticales y horizontales de diámetro con el fin de para producir el diámetro medio D m. El número Bond (Bo) describe el equilibrio entre la gravedad y las fuerzas capilares:
donde g es la aceleración de la gravedad, l es la longitud del puente libre, y V es el volumen del puente. La relación entregravitacional, capilar y las fuerzas eléctricas se pueden expresar en términos del número electrogravitatoria T E:
La extensibilidad máxima de un puente se relaciona con la tensión aplicada, mientras que la corriente que fluye a través del puente se relaciona con el área de sección transversal y por lo tanto el diámetro. Estas relaciones están acoplados, determinar el volumen puente, y por lo tanto definir la región de estabilidad para cualquier puente de líquido de servicio dado. Las curvas características para un puente de agua se dan en la Figura 3, que muestra un umbral inferior por debajo del cual el campo aplicado es demasiado débil como para superar las fuerzas de tensión superficial y un umbral superior por encima del cual la masa del puente es demasiado grande dando como resultado fugas que además interrumpe el campo y da como resultado la ruptura del puente.
El tratamiento más generalción de puentes líquidos en disolventes polares 19,22 proporciona los términos de presión combinado que operan con el puente para predecir las fuerzas que rigen la dinámica del flujo en el contexto de una ecuación de Bernoulli modificada con términos desplazamiento eléctrico añadidos al término presión. Además la relación de Onsager para la estabilidad de iones 24 se incorpora de acuerdo con las observaciones experimentales sobre el equilibrio de bombeo dirección y emisión térmica.
Un número de líquidos polares se han explorado incluyendo el agua, los alcoholes alifáticos inferiores (por ejemplo, metanol), poli-alcoholes (por ejemplo, glicerol), dimetilsulfóxido (DMSO), y otros compuestos orgánicos polares (por ejemplo, dimetilformamida). Líquidos dieléctricos no polares (por ejemplo, hexano) no muestran la formación de puentes. Los líquidos dieléctricos capaces de soportar puentes así estudiaron mucho 8,22,37 se encuentran dentro de un grupo bien definido de parámetros físicos que establecen un buen punto de partida for experimentación adicional: baja conductividad (σ <5 mS / cm), permitividad relativa estática moderada (ε = 20-80), de moderada a alta tensión superficial (γ = 21-72 mN / m). Curiosamente una amplia gama de viscosidades (η = 0,3 a 987 mPa · seg) de trabajo en tales puentes. En los líquidos con viscosidad suficientemente alta como el glicerol es posible tirar de un puente directamente desde el granel líquido (véase la Figura 5) y es un enlace importante entre las fuerzas dielectroforéticas y puentes líquidos. Soluciones iónicas (por ejemplo, NaCl (aq)) son altamente perjudicial para la formación de un puente y en estudios previos 40 han demostrado aumentar la temperatura del puente, disminuir la relación de longitud a la tensión aplicada, y para reducir la extensibilidad. Este comportamiento se atribuye principalmente al efecto de blindaje de carga de los iones disueltos así como una mayor conducción de corriente que reduce el acoplamiento entre los elementos de volumen de fluido y el campo eléctrico.
<p class = "jove_content"> En los fenómenos EHD nivel continuo surgen simplemente porque las condiciones de presión necesarias que acompañan electrostricción sólo se encuentran en la interfase líquido 21. Además, existe una relación entre la estabilidad de los puentes líquidos EHD y la estabilidad de las interfaces en el sistema. En el caso de la reducción de los experimentos de gravedad 41 los crecientes resultados de área superficial en una fuerza que desgarra el puente aparte. Asimismo, si la superficie está demasiado limitado o el área de contacto pequeña subtiende el puente es probable que el desarrollo de inestabilidades. Esto puede ser ilustrado en puentes que son alimentados por tubo o en el caso de los puentes verticales donde un electrodo se tira hacia arriba de la superficie – los puentes resultantes son menos estables en operación a largo plazo ya que carecen de la dinámica de flujo característicos encontrados en la situación en la que ambos embalses tienen una gran superficie libre. Puentes cuyas conexiones con el depósito de líquido están confinados dentro de la tubería espectáculo increased acumulación térmica y la caída de la tensión superficial. Es típico que una interfaz de aire se formará espontáneamente dentro de la tubería. Esta condición limita tanto la capacidad de extensión máxima, así como el tiempo de vida media del puente de puentes líquidos confinados. Abrir puentes de agua de superficie se pueden extender a 35 mm de longitud en 35 kV, mientras que no hay puente persistirá a un voltaje de aceleración en confinamiento tales como el líquido transiciones preferentemente en un modo de electrospray. Del mismo modo puentes agua superficial libre tienen una vida de estabilidad que se acercan 10 h bajo condiciones controladas, mientras que en los sistemas de tubos alimentados con la vida útil es típicamente menos de 2 horas.Fenómenos EHD se consideran por lo general sólo a nivel continuo. Han llevado a cabo un número limitado de estudios sobre las bases moleculares de puentes líquidos. Un estudio Raman 42 mediante puentes de CA verticales investigó la banda OH-estiramiento inter-molecular en comparación con el agua a granel. Algunos cambios en el indicador scperfiles halagador después de la aplicación del campo eléctrico se demuestra que tienen un origen estructural. Uso de espectroscopia de sonda de la bomba de infrarrojo medio ultrarrápida en un puente flotante de agua 43 el tiempo de vida de vibración de la vibración de estiramiento OH de las moléculas de HDO contenida en un HDO: D 2 O puente de agua se encontró que era más corto (630 ± 50 fs) que para las moléculas de HDO en HDO mayor: D 2 O (740 ± 40 fs), mientras que en contraste, la dinámica termalización siguientes a la relajación vibracional son mucho más lentos (1500 ± 400 fs) que en HDO mayor: D 2 O (250 ± 90 fs). Estas diferencias en la dinámica de relajación de energía indican fuertemente que el puente de agua y agua a granel difieren en una escala molecular. Además, la investigación sobre la emisión infrarroja de un puente flotante de agua reveló una característica no térmico que podría ser debido a una transición de un estado excitado al estado fundamental de una banda de conducción de protones 44. Otro estudio más reciente Reporte Ramand que en agua DC puentes hay una distribución radial en los espectros que es indicativa de la diferencia relativa en el pH local entre el núcleo y cáscara externa del puente 45. La distribución radial de las características físicas dentro de puentes líquidos EHD se ve apoyada por los experimentos de dispersión inelástica UV 46 que da las distribuciones radiales contradictorias en los perfiles de temperatura y de densidad y se pueden explicar ya sea por un gradiente en grados moleculares de libertad o la presencia de una fase secundaria como burbujas nano. El concepto más adelante no está respaldada por un estudio de dispersión de rayos X de ángulo pequeño 47, mientras que el concepto de rotación impedida (es decir libraciones) se apoya de espectros de emisión de infrarrojos 44. La dirección de flujo preferente en puentes líquidos EHD surge de los cambios en la cinética de disociación auto-. De acuerdo con el trabajo de Onsager este hallazgo es prometedor para la conexión de los fenómenos a nivel molecular y continuo <sup> 22. Otra prueba de una base molecular a fenómenos EHD se encuentra en la observación de que la emisión térmica a partir de una gotita dieléctrica disminuye localmente en respuesta al campo eléctrico aumentando y alcanza un mínimo justo antes de la aparición de un puente (ver Figura 7).
Puentes líquidos EHD presentan una oportunidad para examinar la interacción entre las fuerzas en múltiples escalas de longitud y es el objetivo específico de este trabajo es proporcionar un método estandarizado para la producción de este tipo de puentes en varios líquidos con cualquier orientación en relación con la gravedad que soporta el emergencia de todo el conjunto de fenómenos característicos discutido previamente.
La formación exitosa de puentes líquidos EHD estables y robustas requiere prestar una atención a ciertos detalles sencillos pero importantes. Es esencial que la conductividad iónica de las soluciones ser tan baja como sea práctico (por ejemplo, 1-5 mS / cm). Tenga en cuenta que la contaminación del agua puede dar lugar a una mayor conductividad de ciertos líquidos polares (por ejemplo, glicerol). Lave toda la cristalería y prestar atención a un cuidadoso enjuague, utilice sólo cristalería libre de contaminación de la superficie o inducida arco marcas de quemaduras. En general es una buena práctica usar guantes al manipular cualquier equipo para evitar que los aceites de la piel y las sales de contaminar el experimento. Los electrodos se sometieron a ultrasonidos durante varios minutos en el disolvente en estudio y se recomienda que estos son "-en quemados" mediante la ejecución de un puente no extendido durante 30-45 min a altos valores de corriente (por ejemplo, 5.3 mA) para reducir el electrodo secundario reacciones. De alta pureza (por ejemplo,> 99,9%metales nobles) funcionan mejor como materiales de electrodo y deben tener un área superficial suficiente para mantener bajas densidades de corriente del orden de 10 A / m² con el fin de reducir el calentamiento local.
En el caso de los puentes que tienen poca estabilidad o que son difíciles para empezar, se recomienda confirmar primero la conductividad es ~ 1 S / cm y que no hay piscinas extrañas de líquido que pueden permitir una vía de corriente alterna. En general, se recomienda que todas las superficies sean lo más seco posible, presten especial atención a las películas delgadas que pueden formar entre los buques y las placas aislantes. Si la formación de arcos se produce una interrupción de potencia y reducir valor de la tensión vuelva a aplicar el poder como la formación de arcos sostenida dará como resultado la "carbonización" de las zonas afectadas que pueden reducir la estabilidad del puente o evitar la ignición puente todos juntos. Si se aplica energía al sistema por encima de la tensión umbral y no hay puente forma una varilla de vidrio aislante puede ser utilizado para extraer el líquido hacia arriba, hacia ªpuntos de contacto (por ejemplo, correos espitas cubilete) entre los dos buques. Si el sistema sigue comportándose de manera inestable limpiar el equipo y empezar de nuevo con el líquido fresco. En su defecto, se recomienda hacer un inventario de los alrededores como objetos grandes de metal, materiales que soportan la carga estática, o fuertes corrientes de aire pueden interrumpir el puente y / o el campo eléctrico que lo soporta.
El sistema experimental se puede modificar fácilmente para adaptarse a los materiales comúnmente disponibles en la mayoría de los laboratorios. Los depósitos de líquidos pueden ser de casi cualquier material compatible y la atención especial debe ser pagado a la inflamabilidad del recipiente o de la fase líquida en caso de arco eléctrico; por ejemplo Teflon generará gases peligrosos cuando se quema. Forma de electrodo, la colocación, y el material también se pueden cambiar para adaptarse a las limitaciones de una determinada configuración. Típicamente electrodos planas hechas de papel de aluminio se utilizan pero el alambre también se pueden utilizar siempre que las directrices actuales de densidad se toman en consideración. El campo eléctrico aplicado puede ser puro DC, AC puro, o sesgado DC AC. Todos producirá puentes líquidos dentro de la gama de la respuesta dependiente de la frecuencia para líquidos descritos en la literatura sobre electrohumectación en dieléctrico (EWOD) y dielectroforesis (DEP) 9 que definen un rango de frecuencia de respuesta entre 20 Hz y hasta 20 kHz para tensiones moderadas. Rangos de frecuencia más altos también pueden generar puentes aunque éstas no se han probado de manera explícita y algunos trabajadores han informado el límite inferior para AC puentes verticales a ser de 50 Hz 42. Orientación a la gravedad también se puede modificar fácilmente el tiempo que un sistema se puede diseñar para proporcionar superficies líquidas libres que son estables sin un campo eléctrico aplicado. Se han realizado experimentos en ausencia de gravedad 41 que mostró que estos puentes tienen una dependencia de la influencia estabilizadora de la gravedad que mantiene el delicado equilibrio de fuerzas en un puente líquido.
. ent "> puentes líquidos EHD son una nueva herramienta que puede ser añadido al repertorio de muchas aplicaciones de la ciencia natural. Permiten la exploración de la interacción de las fuerzas a granel y de la superficie con los campos eléctricos aplicados externamente Abren la oportunidad de examinar los nuevos medios de la mezcla de diferentes líquidos 37; cambiando la cinética de reacción química 52; transporte de protones 44,45, y el examen de la respuesta de los sistemas biológicos a tales condiciones 53 Además estos puentes permiten el acceso directo a la superficie del líquido sin ningún tipo de estructuras que subtienden físicamente que ya ha dado nueva. información espectroscópica de la dinámica en el agua líquida 28 y sugiere no sólo a la existencia de un interruptor de estado controlado eléctricamente mediante el cual emergen nuevas propiedades a granel 31 pero al examinar el potencial de las transiciones de fase líquido-líquido 54 a través de un método completamente nuevo. La aplicación industrial generalizado de los procesos de EHD (por ejemplo, </em>, electrospinning 26, y electrospray 32,33 métodos) sin duda pueden beneficiarse de la continuación del estudio de estos fenómenos estrechamente aliadas.The authors have nothing to disclose.
Este trabajo se realizó en el marco de cooperación de TTIW Wetsus, centro de excelencia para la tecnología del agua sostenible (www.wetsus.nl). Wetsus está financiado por el Ministerio de Asuntos Económicos, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional de la Unión, la provincia de Frisia, la ciudad de Leeuwarden y el programa EZ / Compás de la 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "holandés. Los autores quieren dar las gracias a los participantes en el tema de investigación "Física Aplicada de agua" para las discusiones fructíferas y su apoyo financiero.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Borosilicate Crystallization Dishes | VWR | 216-0064 | |
Double walled roundbottom flask with GL14 and GL8 openings along with 6mm spherical joint port | LGS | SP757102a | Custom glassware with minimum two openings one for electrode, one for bridge spout. |
Adjustable Platforms | Rudolf Grauer AG | Swiss Boy 115 | |
Motion Translation Stage | Thorlabs | MTS25/M-Z8E | Complete motorized stage, controller, and power supply |
Insulating Plates | Should be appropriate for resisting the intended voltages without breakdown | ||
Pt Electrodes | Alfa-Aesar | 000261 | Wash and then sonicate in 18.2 MOhm water prior to use |
HVPS | FUG GmbH | HCP 350-65000 | 65 kVDC @ 5mA maximum output |
Fiber Optic Temperature Probe System | OpSens | OTG-F Sensor/ XXX-XXX Control Unit | Readout speed 1 kHz, accuracy 0.01K, probe size 120 um |
Long Wave Infrared Camera | IRCAM GmBH | Taurus 110K L | 168 FPS 384×288 Sensitivity <30mK |
Long Wave Infrared Camera | FLIR | FLIR 620 | 30 FPS 640×480 pixel Sensitivity to <45mK |
Dual Band Mid- and Long-Wave Infrared Camera | IRCAM GmBH | Geminis 110k ML | |
Digital Camera | Canon | 550D | Used for both video and still frames |
Tripod | Manfrotto | 475B/405 | |
18.2 MOhm Water | Milli-Q | Advantage | Allow 24 hours to equilibrate after dispensing into clear borosilicate bottles |
Methanol dehydrated with less than 0,0050% water AnalaR NORMAPUR | VWR-BDH | 20856.296 | Keep dry until needed; |
Glycerol anhydrous for synthesis | VWR – Merck Millipore | 8.18709.1000 | Keep dry until needed |
Dimethylsulfoxide, ACS Grade | VWR-BDH | BDH1115-1LP | Keep dry until needed |