Generación y Control de electrohidrodinámicos flujos en soluciones acuosas electrolíticas
Summary
La rectificación de las vías de transporte de iones es un método eficaz para generar flujos electrohidrodinámicos arrastra iones unidireccional. Colocando una membrana de intercambio iónico en un canal de flujo, un estado eléctricamente polarizado se genera y provoca un flujo líquido ser conducida cuando un campo eléctrico se aplica externamente.
Abstract
Conducir electrohidrodinámicos (EHD) flujos en soluciones acuosas, separación de vías de transporte de catión y anión es esencial porque una fuerza dirigida cuerpo eléctrico tiene que ser inducido por movimientos iónicos en líquidos. Por el contrario, cargas positivas y negativas atraen, y electroneutrality se mantiene en todas partes en condiciones de equilibrio. Además, un aumento de un voltaje aplicado tiene que ser suprimida para evitar electrólisis del agua, que hace que las soluciones a ser inestable. Generalmente, pueden ser inducidos EHD flujos en soluciones no-acuosas aplicando voltajes extremadamente altos, como decenas de kV, inyectar cargas eléctricas. En este estudio, se introducen dos métodos para generar flujos EHD inducidos por la separación de carga eléctrica en soluciones acuosas, donde dos fases líquidas se separan por una membrana de intercambio iónico. Debido a una diferencia en la movilidad iónica en la membrana, polarización de concentración de iones es inducido entre ambos lados de la membrana. En este estudio, demostramos dos métodos. (i) la reducción de gradientes de concentración de iones ocurre a través de un canal de flujo que penetra una membrana de intercambio iónico, donde el transporte de las especies más lentas en la membrana selectivamente se convierte en dominante en el canal de flujo. Esto es un motor para generar un flujo EHD en el líquido. (ii) un largo tiempo de espera para la difusión de los iones pasan a través de la membrana de intercambio iónico permite la generación de un flujo de iones arrastrados por externamente aplicando un campo eléctrico. Los iones en un canal de flujo de un 1 x 1 mm2 de sección determinan la dirección del flujo del líquido, correspondientes a las vías de transporte electroforético. En ambos métodos, la diferencia de tensión eléctrica necesaria para una generación de flujo EHD se reduce drásticamente a cerca de 2 V por rectificación de las vías de transporte de iones.
Introduction
Recientemente, técnicas de control de flujo de líquido han atraído mucha atención debido a interés en las aplicaciones de micro – y utiliza dispositivos1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. en soluciones polares como soluciones acuosas y líquidos iónicos, los iones y eléctricamente las partículas cargadas se suele llevar sobre cargas eléctricas en los flujos de líquido. El transporte de dichas partículas polarizadas proporciona una extensión de varias aplicaciones, tales como manipulación de una sola molécula6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diodo dispositivos12,18y flujo de líquido control de19,20,21,22. Flujo EHD ha sido un fenómeno aplicable para sistemas de control de flujo de líquido desde Stuetzer1,2 inventó la bomba de arrastre de iones. Melcher y Taylor3 publicó un importante artículo en el que también se revisó el marco teórico de flujo EHD y algunos experimentos destacados también fueron demostrados. Saville4 y sus compañeros de trabajo23,24 contribuyeron a la siguiente expansión de las tecnologías EHD en líquidos. Sin embargo, hubo algunas limitaciones para inducir flujos de líquido impulsados por fuerzas eléctricas, porque decenas de kV tienen que aplicarse en líquidos para inyectar cargas eléctricas en soluciones no polares, tales como los aceites, a polarizar los1,2 , 3. esto es una desventaja para soluciones acuosas debido a la electrólisis del agua que es inducida por un potencial eléctrico superior a 1.23 V cambia las características de las soluciones y hace las soluciones inestables.
En canales de micro y editoriales, cargas superficiales de las paredes del canal causan la concentración de counterions que efectivamente inducir flujo electroosmotic (EF) bajo campos eléctricos aplicados externamente25,26,27 ,28,29. Con EF, algunas técnicas bombeos líquidos han sido aplicados en soluciones acuosas, reducción de la tensión eléctrica30,31,32. Por otro lado, EF se limitan a ser generados en micro – y nanospaces en que las superficies se vuelven más dominantes que los volúmenes de líquido. Además, dependiendo del transporte de iones altamente concentrados muy cerca de la superficie de la pared, como en dobles capas eléctricas, el límite de deslizamiento sólo hace que el flujo de líquido, que puede no ser suficiente para que los gradientes de presión7, 8 , 22 , 26 , 27. afinar, como dimensiones de la canal y concentraciones de sal, es necesaria para las aplicaciones de EF. Por el contrario, EHD fluye por cuerpo fuerzas parecen estar disponibles para el transporte de masas y energías si las tensiones de uso pueden reducirse para evitar degradar solventes. Recientemente, algunos investigadores han sugerido aplicaciones de EHD flujos con bajas tensiones33,34,35,36. Aunque todavía no se han aplicado estas tecnologías, las fronteras se pretende ampliar.
En estudios anteriores, también se realizó un trabajo experimental y teórico EHD flujos en soluciones acuosas37,38,39,40. Se suponía que la rectificación de las vías de transporte de ion fue efectiva para generar soluciones eléctricamente cargadas que causan las fuerzas electrica bajo campos eléctricos. Mediante el uso de una membrana de intercambio iónico y un canal de flujo cruza la membrana, fuimos capaces de rectificar las corrientes iónicas. Cuando se aplica una membrana intercambiadora de aniones, cationes concentraron en el flujo de canal arrastró los solventes y desarrollado un EHD flujo37,38,39. Una diferencia en la movilidad de las especies del ion era un factor importante al separar las corrientes catiónicas y aniónicas. Membranas de intercambio iónico trabajaban con eficacia para modular la movilidad debido a la selectividad del ion. También se investigaron fenómenos de transporte de iones desde el punto de vista de la densidad de corriente iónica influenciado por campos eléctricos aplicados41. Estos estudios han sido fructíferos para desarrollar técnicas de manipulación de moléculas individuales, es decir, micro – y nanopartículas, cuyos movimientos son afectados fuertemente por las fluctuaciones térmicas11,16,17 . EF y EHE flujos deben ampliar la variedad de métodos de control de flujo preciso, así como gradientes de presión.
En este estudio, demostramos dos métodos de impulsión EHD flujos en soluciones acuosas. En primer lugar, se utiliza una solución de NaOH para un fluido de trabajo para conducir un flujo EHD37,38,39. Una membrana de intercambio aniónico separa el líquido en dos partes. Un canal de flujo de polidimetilsiloxano (PDMS) con una sección de 1 x 1 mm y una longitud de 3 mm penetra la membrana. Aplicando un potencial eléctrico de 2.2 V, se induce el transporte electroforético de OH− iones, H+y Na+a lo largo de los campos eléctricos. Una membrana de intercambio aniónico y un canal de flujo trabajarán eficazmente para separar las vías de transporte de iones, donde aniones dominante pasan a través de la membrana y cationes se concentran en el canal de flujo, aunque ambas especies generalmente se mueven en direcciones opuestas, mantener el electroneutrality. Por lo tanto, tal condición no causa una fuerza impulsora para flujos de líquido. Esta estructura es fundamental para generar un flujo EHD cuya velocidad alcanza del orden de 1 mm/s en el canal porque la alta concentración de cationes acelerados por campos eléctricos externos arrastrar las moléculas de solvente. EHD flujos son observados y registrados mediante un microscopio y una cámara de alta velocidad como se muestra en la figura 1. En segundo lugar, una diferencia de concentración entre dos fases líquidas separadas por una membrana de intercambio de iones causa una condición eléctricamente polarizada para generarse atravesando una membrana de intercambio iónico40. En este estudio, nos encontramos con la importancia de un considerable tiempo de espera para equilibrar la distribución de iones y un potencial eléctrico correspondiente, que causan condiciones preferibles aplicar a una fuerza del cuerpo en un líquido. Atravesar la membrana de intercambio iónico, se logra una condición débil polarizada. En tal condición, un externamente aplicado campo eléctrico induce transporte iónico direccional que genera una fuerza de cuerpo en un líquido, y como resultado, la transferencia de impulso de los iones en el solvente se desarrolla un flujo EHD.
Como se mencionó anteriormente, los dispositivos actuales tienen éxito en disminuir drásticamente la diferencia de tensión a pocos voltios, y por lo tanto este método es utilizable para soluciones acuosas, aunque los métodos de inyección de carga eléctrica convencional requieren decenas de kV y se limitan a una aplicación en soluciones no acuosas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El propósito de este estudio fue separar cationes y aniones en soluciones acuosas en términos de distribución espacial y los números de transporte. Utilizando una membrana de intercambio aniónico, puede rectificarse el transporte de aniones y cationes en la membrana y en un canal de flujo que penetra en la membrana, respectivamente. Alternativamente, una membrana de intercambio de cationes que separa cielo y soluciones de concentración trabajó para generar soluciones eléctricamente polarizadas después de un tiem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores no tienen ninguna agradecimientos.
Materials
| Sylgard 184 | Dow Corning Corp. | 3097366-0516, 3097358-1004 | PDMS |
| Acetone | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 012-00343 | |
| Ethanol | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 054-00461 | |
| 0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 196-02195 | |
| Pottasium Chloride | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 163-03545 | |
| Tris-EDTA buffer 100x concentrate | Sigma-Aldrich Co. LLC. | T9285-10014L | |
| 2.93 μm polystyrene particle | Merck KGaA | L300 Rouge | Tracer particle |
| 1.01 μm polystyrene particle | Merck KGaA | K100(23716) | Tracer particle |
| Anion exchange membrane | ASTOM Corp. | Neosepta AHA | |
| Gold (Au) | Furuuchi Chemical Corp. | AUT-13301X | Sputtering target metal |
| Titanium | Furuuchi Chemical Corp. | TIT-72301X | Sputtering target metal |
| Chromium | Furuuchi Chemical Corp. | CRT-24301X | Sputtering target metal |
| Hight-speed CMOS camera | Keyence Corp. | VW-600M | |
| Microscope | Keyence Corp. | VW-9000 | |
| Data logger | Keyence Corp. | NR-500, NR-HA08 | |
| Laser displacement meter | Keyence Corp. | LK-G5000, LK-H008W | |
| PIV and PTV software | DITECT Co. Ltd. | Flownizer 2D | |
| Potentiostat | AMTEK Inc. | VersaSTAT4 | |
| Inverted microscope | Olympus Corp. | IX73 | |
| High-speed CMOS camera | Andor Technology Ltd. | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Function generator | NF Corp. | WF1945B | |
| Function generator | NF Corp. | WF1973 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE Corp. | AS22GTU | |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | G-100S | Degas liquid PDMS |
| Rotary pump | ULVAC, Inc. | GLD-201A | Sputtering |
| Molecular diffusion pump | ULVAC, Inc. | VPC-400 | Sputtering |
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