水平和垂直电水液桥是探索高强度的电场和极性液体介质的相互作用简单而强大的工具。基本的设备和操作实例,包括热成像图像,三个液体( 如水 ,DMSO和甘油)提出的建设。
水平和垂直的液体桥是探索高强度的电场(8-20千伏/厘米)和极性液体介质的相互作用简单而强大的工具。这些桥梁都是从他们表现出超过几毫米扩展毛细管桥独特的,具有复杂的双向传质模式,并发出非普朗克红外辐射。一些常用的溶剂,可以形成这样的桥梁和低电导率溶液和胶体悬浮液。宏观行为是由电流体管,并提供学习流体流动现象没有刚性壁的存在的手段。在此之前的液体桥的几个重要现象的发生,可观察到包括促进半月板高度(电润湿),散装流体循环(在洲本的效果),和带电液滴(电)的喷射。表面极化和位移力之间的相互作用,可以直接审查改变施加电压和桥梁的长度。在电场作用下,由于重力的协助下,对稳定瑞利高原不稳定液桥。结构基本装置用于沿与操作实例,包括热成像图像,三种液体( 如 ,水,DMSO和甘油)中,提出了垂直和水平方向。
电场和液体物质导致了一些势力的材料本体中不断发展之间的互动。在实际液体电介质的系统中,不可忽视的场梯度和对称破几何形状导致一些看似奇特的效果。赫兹是第一个要注意在液体-固体绝缘系统1的旋转运动中的一个。 Quincke观察到两种流体之间的界面张力不仅由外部电场的施加,但是,这种变化导致了力对流体体的消耗及可用于诱发旋转运动2。阿姆斯特朗发现了漂浮水桥于1893年3这仍然是一个谜一般的方招,直到最近,当Fuchs和同事研究的质量和电荷传输机制4,5和重新严肃的科学调查由这些桥梁形成机制。电场有ability以对抗地心引力的Pellat对平行板电极间的电介质液体崛起工作解除液体显示6。这提升作用显示的频率依赖性,最终可以通过麦克斯韦应力张量7描述。考虑到与高压直流电(EHD)液桥相关的液面上升的交流条件下也表现出频率依赖性8类似电润湿电介质(EWOD)和介电电泳(DEP)的质量流量9时,这是非常重要的。此外,高电位的电场的应用是控制液体喷射分手重要和电场与液体的相互作用对于理解电雾化10,11的工业上重要的过程是必不可少的。
外部电场不仅影响表面能。由于偏振和剪切应力的作用下,流模式可以被建立。一个例子是液体在非均匀电场的存在下进行循环。特此electroconvective电流建立在液体散货剪切应力驱动。洲本证明,可以使用含有任一种极性液体或金属棒浸渍在非极性介质浴中,并置于一个非均匀电场12内的玻璃转子构建的流体马达。由冈野以后分析使用一种均匀的场近似13来解决旋转问题,只能定性匹配的实验结果和所需的电介质液体的响应为单数的质量。关于这个问题的其他研究人员忽略了一点完全是因为他们错误地报道,并探讨了洲本效力的液面回应Pellat 17率先电场工作的上涨14-16。表面对称性破缺本地化充电的过程中的重要性,并产生剪切STRESS 18必须掌握的液体EHD桥梁的研究。梅切尔公司在连续19机电论文提供了一种治疗散装液体完整的理论基础,并简化了均匀各向同性的范围内自由表面。表面的重要性仍然清晰甚至从连续的角度看为对称的结果中的剪切应力,能够生成整体运动的损失。取入的离散移动的流体体积可被极化,并有可能在方法的表面所产生的反作用力的一般情况下,电场的相互作用可以被取代成两个纳维-斯托克斯20和伯努利7,21,22关系来形容众多的EHD流现象,包括液体桥梁。液桥的进一步研究,可以提高许多基于EHD技术,如喷墨印刷23-25 微米和纳米材料的处理26-28,药物输送2930,生物医学应用31,32,和海水淡化33。
这里描述的方法提供了访问而被发现在极性液体,其分子具有永久偶极矩的形成EHD液桥。在实行非均匀电场导致偶极子群的部分极化产生的介电常数的局部变化从而进一步增强磁场梯度18,34,35。这个偏振引起的位移力而根据所施加的场的相对强度将产生许多不同的液体的反应(参见图4-7),最终导致了桥的形成。液体还将开发泰勒流22,36沿着电极表面尤其是在情况下,有在电极上锋利的边缘存在。电荷注入的锋利边缘的可能性也是存在的,并且与该一致的形成能产生electroconvective电流在液体散货22从而连接液桥系统与洲本影响12混杂电荷层。桥梁理事EHD关系被广泛报道别处的水和其它极性液体22,36-38。这些理论方法蒙受应该接近实验数据时,应考虑一定的局限性。麦克斯韦应力张量治疗36是不敏感的场不均匀性,以及非均匀的液桥。纯EHD方法37提供了electrogravitational数和其给桥长宽比的关系的稳定状态的定义;然而,在流体动力学和重要的瞬变现象( 例如 ,桥建立)未预测。在分析桥梁的稳定性,并在此推导先前公布的马林和洛斯37三无量纲数是有用的</s起来>。的电毛细管数(CA E)是被定义为电和毛细作用力之间的比
其中,ε0是真空介电常数,εr为液体的相对介电常数,E t是电场过桥,γ是表面张力,D s和d 升是这样的直径的垂直和水平投影得到的平均直径D 微米 。债券数量(博)描述重力和毛细管力之间的平衡:
其中,g是重力加速度,l是自由桥的长度,而V是桥体积。之间的关系重力,毛细管,和电力可以表现在electrogravitational多少G 电子方面:
桥的最大扩展性是关系到所施加的电压而流过电桥的电流与横截面面积,从而直径。这些关系耦合,确定桥体积,并且因此限定为任何给定的工作液体桥稳定性的区域。用于水桥的特性曲线在图3中,显示较低的阈值,低于该外加磁场太弱,以克服表面张力和上阈值,高于该电桥的质量过大导致漏水给出其进一步扰乱该字段和结果在桥断裂。
更普遍的治疗液桥在极性溶剂19,22换货提供了与桥经营预测理事流体动力学在修改后的伯努利方程增加了压力任期电位移计算的背景下,力合压力条件。此外离子稳定性24昂萨格关系纳入协议与实验观察的平衡抽水方向和热辐射。
一些极性液体已探索包括水,低级脂族醇( 如甲醇),聚醇( 如甘油),二甲基亚砜(DMSO)等极性有机物( 例如 ,二甲基甲酰胺)。非极性液体介质( 如正己烷)没有表现出桥形成。能够支撑桥梁的液体介质迄今研究8,22,37谎言一个定义良好的集团内树立了良好的起点FO物理参数范围内ř进一步的实验:低导电率(σ<5μS/ cm)的,适度的静态相对介电常数(ε= 20-80),中度到高表面张力(γ= 21-72 MN / M)。有趣的是大范围的粘度(η= 0.3-987毫帕·秒)的工作在这样的桥梁。在液体中具有足够高的粘度,如甘油,可以直接从液体散货( 见图5)拉桥,是介电电泳力和液桥之间的重要纽带。离子溶液( 例如 ,氯化钠(水溶液))是高破坏性桥接的形成和在以前的研究中有40个已经被证明能增加桥的温度,减少的长度所加的电压比,并减少可扩展性。这种行为在很大程度上归因于溶解的离子的电荷屏蔽效应,以及更高的电流传导而降低了流体的体积元和电场之间的耦合。
<P舱=“jove_content”>在连续级别的EHD现象的出现是因为必要的压力条件而伴随着电致伸缩只发现在液界面21。此外,存在的EHD液体桥的稳定性和在系统中的接口的稳定性之间的关系。在低重力实验41扩大表面积结果,其中除了眼泪桥力的情况下。同样,如果表面过于狭窄或级联的接触面积小的桥将有可能发展的不稳定性。这可以在桥这是由管道或在其中一个电极被向上从表面拉出垂直桥的情况下,供给进行说明 – 将得到的桥是在长期运行稳定性较差,因为它们缺乏在该情形中发现的特征的流体动力学这两个水库有大量免费的表面积。桥,其连接至所述流体储存器内的管路节目i的局限ncreased热积累和下降的表面张力。这是典型的空中接口将自发管内形成。该条件限制两者最大扩展以及用于密闭液体桥桥的平均寿命。开口表面水桥可以扩展到35毫米的长度,在35千伏,而没有桥将继续存在于这样的加速电压在限制作为液体优先地转换成电喷雾模式。同样地自由表面水桥有稳定的寿命接近受控条件下10小时,而在管供给系统的生命周期通常小于2小时。EHD现象通常被认为仅在连续的水平。的液体桥的分子基础上研究有限数量已经进行。拉曼研究42利用垂直交流电桥研究了分子间的OH拉伸带相比,散水。在SC的一些变化应用电场后attering剖面示为具有结构原点。在一个浮动的水桥43的振动HDO分子中所含的HDO的OH伸缩振动的一生用超快的中红外泵浦探测光谱:D 2 O水桥被认为是较短的(630±50 FSEC)比HDO分子散装HDO:D 2 O(740±40 FSEC),而与此相反,下面的振动弛豫的热化动力学慢得多(1500±400 FSEC)比散装HDO:D 2 O(250±90 FSEC)。这些差异在能量弛豫动力学强烈表明,在分子尺度的水桥和散水不同。此外,在一个浮动水桥的红外线发射的研究揭示了这可能是由于从激发态到质子传导带44的地面状态的变化的非热特性。另一种较新的激光拉曼光谱研究reporteð在直流水桥中有其表示在桥45的芯和外壳之间的局部pH值的相对差的光谱的径向分布。的EHD液桥内的物理特性的径向分布是由无弹性的紫外线散射实验46,它给出了矛盾的径向分布中的温度和密度分布,并可以解释或者通过在分子自由度的梯度或第二相的存在下进一步支持纳米气泡。而受阻旋转的概念( 即 librations)由红外线发射光谱44支持的存货概念是不支持的小角X射线散射研究47。在EHD液桥的优先流方向产生于变化自动解离动力学。与翁萨格的工作协议这一发现有希望用于连接分子和连续的现象级<SUP> 22。用于分子基础EHD现象进一步证据是在观察发现,由电介质液滴热发射响应于增加的电场局部降低并达到最小刚刚之前的桥梁的发病(参见图7)。
EHD液桥提供一个机会,以检查在多个尺度的力量之间的相互作用,这是这项工作的具体目标是生产这类桥梁的一些液体的方向相对任何提供一个标准化的方法来重支持出现的全套特有现象先前所讨论的。
成功组建稳定和强大的EHD液桥需要注意支付给某些简单而重要的细节。至关重要的是,该解决方案的离子电导率可低至实用( 例如 1-5微秒/厘米)。要知道,水的污染可能会导致某些极性液体( 如甘油)增加导电性。清洗所有玻璃器皿以及注意仔细清洗,只用玻璃器皿不受表面污染或电弧引起的烧伤痕迹。总的来说这是很好的做法,戴手套时操作任何设备,以防止皮肤的油和盐污染的实验。电极应该在所研究的溶剂中进行超声处理几分钟,所以建议这些都是“加热”由30-45分钟,在高电流值运行的未伸出的桥( 例如 ,3-5毫安)来降低次级侧电极反应。高纯度( 例如 ,> 99.9%)贵金属工作最好作为电极材料,并应具有足够的表面面积,以保持10 A /平方米量级的低电流密度,从而减少局部加热。
在具有稳定性差或难以启动它桥的情况下,建议第一确认电导率为〜1μS/ cm的并有液体没有多余的池,可以让一个备用电流通路。一般而言,建议将所有的表面是尽可能干燥,要特别注意薄膜可血管和绝缘板之间形成。如果发生电弧中断电源,降低电压值,然后重新接通电源的电弧持续将导致受影响地区可降低桥梁的稳定性和防止桥点火在一起的“炭化”。如果电源被施加到系统上的阈值电压和无桥形式的绝缘玻璃棒可以用来向上画出液体朝第两艘船之间的电子邮件联系点( 如烧杯嘴)。如果系统继续行为处于不稳定的方式清洁设备并用新鲜液体重新开始。如果做不到这一点,建议采取周围的清单作为大型金属物体,在支持的静电荷,或者强烈的气流可破坏桥和/或电场,它支持它的材料。
该实验系统很容易地修改,以适应大多数实验室常用的材料。液体容器可以从几乎任何相容的材料和特殊应注意在容器或液相的情况下电弧的可燃性;例如,燃烧时特氟龙会产生有害气体。电极形状,位置和材料也可以改变以适应给定的设置的限制。由箔制成通常的平面电极被使用,但是金属丝也可以使用,只要电流密度准则被考虑在内。所施加的电场可以是纯直流,纯交流,或直流偏置的交流。所有将产生随频率而变的响应范围内的液体桥,在电介质(EWOD)在文献中描述的电润湿液体和介电电泳(DEP)9,它在20赫兹和高达20千赫为中等电压定义的响应的频率范围。较高的频率范围内也可以生成桥虽然这些没有被明确地检测和一些工人已报道在AC垂直桥的下限为50赫兹42。方向与重力也容易,只要系统可以被设计成提供自由液体表面是稳定的,没有施加电场改性。实验已经在没有重力41的这表明,这些桥梁对重力的保持力在液体桥的微妙平衡的稳定作用的依赖已经进行。
ENT“> EHD液桥是可以被添加到许多自然科学的应用剧目的新工具,它们允许的体积和表面力与外加电场相互作用的探索,他们打开了机会研究的新途径混合不同的液体37;改变化学反应动力学52;质子运输44,45;和检查生物系统的条件53的反应除了这些桥允许直接访问的液面没有它已经产生了新的任何物理级联结构。在液体水28的动力学和光谱信息提示不仅在电控状态开关的存在,由此新的整体性质出现31而在电位通过一个全新的方法来检查液-液相转变54。的广泛的工业应用EHD进程( 如 </eM>,静电26日 ,和电32,33方法)肯定可以从这些密切联系的现象的进一步研究中受益。The authors have nothing to disclose.
在Wetsus,卓越中心,为可持续水技术(www.wetsus.nl)的TTIW,合作框架进行这项工作。 Wetsus是由经济事务,欧盟区域发展基金,Fryslân的省,市吕伐登和“Samenwerkingsverband北 – 荷兰的EZ /罗盘计划”的荷兰教育部资助。作者要感谢的研究主题为“应用物理学水”与会者的富有成果的讨论,并提供财政支持。
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 |