수평 및 수직 특히 전기 액체 브리지는 강도 높은 전기장의 극성 유전체 액체의 상호 작용을 탐구하기위한 간단하고 강력한 도구입니다. 기본 장치와 (예를 들면, 물, DMSO, 및 글리세롤)이 제시된다 세 액체 열 감지 이미지를 포함한 동작의 예들의 구조.
수평 및 수직 액체 브리지는 강도 높은 전기장 (8-20 kV의 / cm)와 극성 유전체 액체의 상호 작용을 탐구하기위한 간단하고 강력한 도구입니다. 이러한 다리들은 몇 밀리미터를 넘어 확장을 나타낸다는 점에서 모세관 브릿지에서 고유 복잡한 양방향 물질 전달 패턴을 가지며, 적외선 비 플랑크을 방출한다. 공통 용매의 수는 교량뿐만 아니라 낮은 전도성 용액 및 콜로이드 성 현탁액을 형성 할 수있다. 거시적 동작은 전기 수력에 의해 관리 및 강성의 벽이 존재하지 않고 유체 흐름 현상을 연구하는 방법을 제공한다. 액체 다리 몇몇 중요한 현상의 개시에 앞서 전진 메 니스 커스 높이 (일렉트로), 벌크 유체 순환 (모토 효과), 및 충전 액적 (전기 분사)의 토출을 포함한 관찰 될 수있다. 표면, 편광, 및 변위 사이의 힘의 상호 작용에 의해 직접적으로 조사 할 수인가 전압과 다리 길이를 변화. 중력에 의해 지원 전기장은 레일리 – 고원의 불안정성에 대한 액체 다리를 안정화시킨다. (예를 들면, 물, DMSO, 및 글리세롤)이 제시된다 세 액체 열 감지 이미지를 포함한 동작의 예와 함께 수직 및 수평 방향에 대한 장치의 기본 구조.
전기장과 벌크 재료 내에 진화 세력 수가 액체 물질 사이의 상호 작용의 결과. 실제 유전체 액체 시스템에서는 무시할 필드 그라디언트 및 대칭 형상 깨는 겉보기 특유한 효과를 초래할 수. 헤르츠는 액체 – 고체 절연 시스템 1의 회전 운동을주의하는 첫번째의 하나였다. Quincke은 두 유체 사이의 계면 장력은 단지 외부 전계의인가에 의해 변경되지 않았 음이 변화하지만 유체 바디에의 힘의 격심 이어진 및 회전 운동이 유발하는데 사용될 수있다 관찰. 암스트롱은 Fuchs의 직장 동료는 질량과 전하 수송 메커니즘 4,5를 탐구하고이 다리가 형성되는 메커니즘에 심각한 과학적 탐구를 다시 열 때 최근까지 수수께끼의 파티 트릭을 유지 1893 세에서 부동 물 다리를 발견했다. 전기장이 abilit평행 판 전극 사이의 유전체 액체 상승에 Pellat의 작품으로 중력의 힘에 액체를 들어 올립니다 Y는 6을 보여줍니다. 이 승강 동작은 주파수 의존성을 도시하고 궁극적 맥스웰 응력 텐서 7을 통해 설명 될 수있다. 유전체 (EWOD)에 일렉트로 웨팅 비슷한 주파수 의존성 8 및 유전체 (DEP) 9 질량 흐름을 보여 AC 않는 조건 하에서 특히 전기 (EHD) 브리지와 연결된 액체 수위 상승을 고려할 때 중요하다. 또한, 고전 전기장의인가는 액체 제트 분쇄 조절하는데 중요하며, 액체와 전기장의 상호 작용은 전기 분무의 미립화 10,11 산업적으로 중요한 과정을 이해하는 데 필수적이다.
외부 전기장은 표면 에너지에 영향을주지 않는다. 인해 편광 및 전단 응력의 작용에 흐를 수있는 패턴을설립. 일례 불균일 전기장의 존재 하에서 액체의 순환이다. 이에 electroconvective 전류는 전단 응력에 의해 구동 액체 대량으로 설정됩니다. 스모는 유체 모터가 극성 액체 또는 비극성 유전체 욕에 침지하고 불균일 전계 (12) 내에 배치 된 금속로드를 포함하는 유리 로터를 사용하여 구축 될 수 있다는 것을 보여 주었다. 오카노 나중에 분석은 정 성적으로 실험 결과와 일치 할 수있는 회전 문제를 해결하기 위해 균일 한 전계를 사용하여 근사 (13) 및 단수 질량으로 대응할 유전체 액체가 필요했다. 주제에 다른 연구자들은 그들이 잘못보고 완전히 지점을 놓친 Pellat (17)에 의해 개척 전기 현장 작업에 대한 응답으로 14-16 상승 액체 레벨로 모토 효과를 탐험했다. 충전을 국산화하는 과정에 대한 파괴 표면 대칭의 중요성과 생성 전단 streSS (18)는 액체 EHD 교량에 대한 연구에 파악하는 것이 필수적이다. 연속체 전기 기계 (19)에 Melcher의 논문은 대량 액체를 처리하는 완벽한 이론적 기초를 제공하고 등방성 균질 한도 내에서 무료로 표면을 단순화합니다. 표면의 중요성에도 대량 이동을 생성 할 수있는 전단 응력의 대칭성의 결과로서 손실 연속체 관점에서, 그럼에도 불구하고 명확하다. 편광 표면에 접근시 얻어진 반력에 따라 될 수있는 이산 모바일 유체 볼륨의 일반적인 경우에서 촬영 전계 상호 작용은 모두 비어 – 스토크 스 (20)와 베르누이 7,21,22 관계로 치환 될 수있다 액체 교량을 포함 EHD 유동 현상의 다수를 설명한다. 액체 교량의 연구는 또한 23-25 마이크로 및 나노 물질 처리 26-28, 약물 전달 (29)과 같은 인쇄, 잉크젯 등의 EHD 기반 기술들을 향상시킬 수있다, 30, 생물 의학 응용 프로그램을 31, 32, 및 담수화 33.
여기에 설명 된 방법들은 그 분자 영구 쌍극자 모멘트를 갖고 극성 액체에서 발견 EHD 액체 브릿지의 형성에 대한 액세스를 제공한다. 따라서, 유전율의 변화를 산출 로컬 다이폴 인구 부분 편광 부과 불균일 전계 결과 상기 필드 구배 18,34,35 보강. 이 편광은 적용 분야의 상대 강도에 따라 결국은 브리지의 형성의 결과로 다른 액체 반응 (도 4-7 참조)의 개수를 생성하는 변위 힘을 발생시킨다. 액체는 또한 전극에 날카로운 에지 존재가 어디 테일러 특히 경우에 전극 표면을 따라 22,36 흐름을 개발할 것입니다. 날카로운 모서리에서의 전하 주입의 가능성도 존재와 일치이와 모토 효과 (12)와 다리 액체 시스템을 연결하는 액체 벌크 22 electroconvective 전류를 생성 heterocharge 층의 형성. 교량에 적용 EHD 관계는 광범위 물과 다른 극성 액체 22,36-38 다른 곳에서 적용됩니다. 이러한 이론적 접근은 실험 데이터를 접근 할 때 고려해야 할 몇 가지 제한을 겪고 있습니다. 맥스웰 응력 텐서 처리 (36)들뿐만 아니라, 이질성 액체 다리 불균일성에 둔감하다. 순수한 EHD 방식 37 electrogravitational 번호와 다리 종횡비의 관계의 정상 상태 정의를 제공한다; 그러나, 유동 역학과 중요한 과도 현상 (예를 들면, 다리의 생성은) 예측하지 않습니다. 다리의 안정성을 분석하고 이전에 마린 & 로제 (37)에 의해 출판 여기에 파생 할 때 세 가지 차원 번호는 유용하다 </s>입니다. electrocapillary 번호 (칼슘 E)은 전기 및 모세관의 힘 사이의 비율로 정의되는 것이다 :
ε 0는 진공 유전율이고, ε는 액체의 비유 전율을 R, E의 t는 다리 걸쳐 전기장이고, γ는 표면 장력, D, S 및 D 리터가되도록 직경의 수직 및 수평 돌기되어있다 평균 직경 D의 m을 얻었다. 채권 번호 (보) 중력과 모세관 힘 사이의 균형을 설명 :
g는 중력 가속도를 나타내고, L은 자유로운 다리 길이이고, V는 양 다리이다. 간의 관계중력, 모세관 및 전기적 힘 electrogravitational 번호 G를 E로 표현 될 수있다 :
다리를 통해 흐르는 전류가 단면적 따라서 직경에 관련되어있는 동안 다리의 최대 확장은인가 전압에 관한 것이다. 이러한 관계는 다리 용적을 결정하고, 따라서 임의의 주어진 작동 액체 다리 안정성의 영역을 정의하고, 결합된다. 물 브리지 특성 곡선은 응용 분야가 표면 장력과 다리의 질량이 누설을 초래 지나치게되는 상기 상한 임계 값을 극복하기에 너무 약한 경우 그 이하 낮은 임계 값을 보여준다도 3에 제시되는 더을 방해하는 필드와 다리 파열의 결과.
보다 일반적인 치료극성 용매 19, 22 액체 다리, 표준 압력 기간에 추가 전기 변위 조건 수정 베르누이 방정식의 맥락에서 흐름 역학을 지배하는 힘을 예측하는 다리와 함께 작동 결합 된 압력 조건을 제공합니다. 또한 이온 안정성 24 Onsager 관계는 평형 펌핑 방향 및 열 방출에 대한 실험 관찰과 계약에 포함된다.
극성 액체의 수는 물을 포함하여 탐색 된 저급 지방족 알코올 (예, 메탄올), 폴리 알코올 (예 : 글리세롤), 디메틸 설폭 사이드 (DMSO), 및 기타 극성 유기 물질 (예를 들면, 디메틸 포름 아미드). 무극성 유전체 액체 (예를 들어, 헥산) 다리 형성을 전시하지 않습니다. 다리를지지 할 유전체 액체는 훨씬 좋은 출발점 FO 확립 물리적 파라미터의 잘 정의 된 그룹 내 8,22,37 거지 공부 따라서R 더 실험 : 낮은 전도도 (σ <5 μS / cm), 중간 정적 상대 유전율 (ε = 20 ~ 80), 높은 표면 장력 (γ = 21-72 mN의 / m) 중간 정도. 흥미롭게 점도의 넓은 범위 (η = 0.3-987 MPA · 초) 교량에서 작동합니다. 글리세롤로 충분히 점도가 높은 액체에서는 액체 벌크 (그림 5 참조)에서 직접 다리를 가져올 수 있습니다 및 유전 힘과 액체 다리 사이의 중요한 연결이다. 이온 용액 (예를 들면, 염화나트륨 (수성)), 다리의 온도를 증가인가 전압 비율로 길이가 감소하고, 확장 성을 감소시키는 것으로 나타났다 형성 및 이전의 연구 (40)에 해소 할 매우 파괴적이다. 이 문제는 주로 유체 부피 요소와 전계 사이의 결합을 감소 전하 차폐 용존 이온의 효과뿐만 아니라, 증가 된 전류 전도에 기인한다.
<전왜 함께 필요한 압력 조건 만 액체 인터페이스 (21)에서 찾을 수 있습니다 때문에 연속체 수준 EHD 현상에 P 클래스 = "jove_content은"> 간단하게 발생한다. 또한, 교량의 EHD 액체 안정성 및 시스템 인터페이스의 안정성 사이의 관계가있다. 감소 중력 실험 41 떨어져 다리를 눈물 힘의 확대 표면적 결과의 경우. 표면이 너무 제한되거나 마찬가지로 경우 이루는 접촉 부위에 작은 다리 가능성이 불안정성을 개발할 것입니다. 이는 튜브에 의해 또는 하나의 전극은 표면으로부터 위쪽으로 당겨진다 수직 브리지의 경우에 공급되는 다리에 도시 될 수있다 -가 상황 여기서 검색된 특성 유동 역학 부족으로 인한 교량 장기 운전에 덜 안정 모두 공기통 큰 자유 표면적. 그 연결 유체 저수지 튜브 쇼 내가 내 갇혀 교량ncreased 열 축적과 떨어지는 표면 장력. 또한 무선 인터페이스는 자발적 튜브 내에 형성하는 것을 일반적이다. 이 조건 한계 모두 최대 확장 성뿐만 아니라 한정된 액체 교량 다리의 평균 수명. 어떤 브리지가 액체로 한정 그러한 가속 전압에서 유지되지 반면 오픈 지표수 브릿지 우선적 전기 분무 모드로 천이 35 kV로 직경 35 ㎜의 길이로 확장 될 수있다. 튜브 공급 시스템의 수명은 일반적으로 2 시간 미만 반면 마찬가지로 자유 표면의 물이 다리는 통제 된 조건 하에서 10 시간 접근 안정성 수명을 가지고있다.EHD 현상은 일반적으로 만 연속체 수준으로 간주됩니다. 교량의 액체 분자 기초 연구의 제한된 수의 실시되었다. 수직 AC 브릿지를 이용한 라만 공부 (42)는 대량의 물에 비해 분자간 OH-스트레칭 밴드를 조사 하였다. 사우스 캐롤라이나의 일부 변경전계인가 후 attering 프로파일 구조 원점을 갖도록 도시된다. 부동 물 다리 43 HDO에 포함 HDO 분자의 OH 스트레치 진동의 진동 수명에 초고속 중 적외선 펌프 프로브 분광기의 사용 : D 2 O 물 다리하는 HDO 분자위한보다 짧은 (630 ± 50 FSEC) 인 것으로 밝혀졌다 대량 HDO에 : D 2 O (FSEC 740 ± 40), 반면에 반면, 진동 휴식을 다음 thermalization 역학 대량 HDO보다 (1,500 ± 400 FSEC) 훨씬 느립니다 : D 2 O (250 ± 90 FSEC). 에너지 휴식 역학의 이러한 차이는 강하게 물 다리와 대량 물 분자 규모에 차이가 있음을 나타냅니다. 또한, 부동 물 다리의 적외선 방사에 대한 연구는 양성자 전도 밴드 (44)의 여기 상태에서 기저 상태로 천이에 기인 할 수있는 비 – 열적 특성을 밝혔다. 또 다른 최근의 라만 연구 reporteDC 물에 브리지 (45)의 코어와 외피 사이의 로컬 pH가 상대적 차이 나타내는 스펙트럼의 방사 분포가 교량 D. EHD 액체 브리지 내의 물리적 특성의 방사상 분포를 상기의 온도 및 밀도 프로파일에 모순 방사상 분포를 제공하고 설명 하나 자유 분자 각도 그래디언트 또는 이차 단계의 존재에 의해 수 비탄성 UV 산란 실험 46에 의해지지된다 나노 거품으로. 힌 더드 회전의 개념 (즉 librations)는 적외선 발광 스펙트럼 (44)로부터 지원되는 동안 나중에 개념은 소각 X 선 산란 공부 (47)에 의해 지원되지 않는다. EHD 액체 교량 우대 흐름 방향은 자동 해리 반응 속도의 변화로 발생한다. Onsager의 작품과 일치에서이 연구 결과는 분자 연속 수준의 현상을 연결하기위한 약속을 보유하고있다 <SUP> 22. EHD 현상에 대한 분자 기초를위한 추가 증거가 유전체 액적으로부터의 열 방출이 증가하고, 전계에 응답하여 로컬 감소 및 다리의 개시 직전 최소 도달 관찰에서 발견된다 (도 7 참조).
EHD 액체 브리지는 여러 길이 규모에서의 힘의 상호 작용을 조사 할 기회를 제공하며 지원 중력 어떤 방향 상대와 액체의 다수의 다리 이러한 종류를 제조하기위한 표준화 된 방법을 제공하는 본 연구의 특정 목표이며 이전에 논의 된 특성 현상의 전체 집합의 등장.
안정적이고 강력한 EHD 액체 교량의 성공적인 형성은 특정 간단하지만 중요한 세부 사항에 지불하는주의가 필요합니다. 이 용액의 이온 전도도가 실용적 (예, 1-5 μS / cm)만큼 낮은 것이 필수적이다. 수질 오염은 특정 극성 액체 (예를 들면, 글리세롤)에 대한 증가 전도성이 발생할 수 있다는 점에 유의해야합니다. 표면 오염 또는 아크에 의한 화상 흔적이없는 유리 제품 만 사용, 잘하다 유리 세정을주의 깊게에 주목을 씻으십시오. 일반적으로이 실험을 오염 피부 오일과 소금을 방지하기 위해 어떤 장비를 다룰 때마다 장갑을 착용하는 것이 좋습니다. 전극은 연구중인 용매에 몇 분 동안 초음파 처리되어야하며 이러한 높은 전류 값에서 30-45 분 동안 확장되지 않은 다리를 실행하여 "번인 (burned-in)"(예를 들어, 3~5mA) 보조 전극을 줄이는 것을 권장 반응. 고순도 (예 :> 99.9 %) 귀금속 전극 재료로서 가장 적합하고 로컬 가열을 감소 시키도록 10 A / 평방 미터 정도의 낮은 전류 밀도를 유지하도록 충분한 표면적을 가져야한다.
가난한 안정성하거나 시작하기 어려운 교량의 경우 교류 경로를 허용 할 수 있습니다 액체의 아무 관계없는 수영장이 없는지 제 1 도전입니다 ~ 1 μS / cm를 확인하기 위해 권장된다. 일반적으로 모든 표면은 가능한 한 건조 선박과 절연판 사이에 형성 할 수있는 박막에 특별한주의를 지불하는 것이 좋습니다. 아크 인터럽트 전력을 발생하고 전압 값을 줄일 경우 지속적인 아크가 다리의 안정성을 줄이거 나 모두 함께 다리 점화를 방지 할 수 있습니다 영향을받는 지역의 "탄화"가 발생합니다으로 전원을 다시 적용합니다. 전원이 문턱 전압 이상이없는 시스템 및 다리 형태에 적용되는 경우 절연 유리로드는 제 향해 위쪽으로 액체를 그릴 수있다두 선박 사이의 전자 접점 (예를 들어 비커 스파우트). 시스템에서 동작하도록 계속되면 불안정한 패션 장비를 청소하고 신선한 액체를 다시 시작합니다. 이 실패하면, 그것은 큰 금속 물체, 다리 및 / 또는 지원하는 전기장을 방해 할 수 있습니다 정전기, 또는 강한 공기 흐름을 지원하는 재료로서 주변의 인벤토리를하는 것이 좋습니다.
실험 시스템은 쉽게 대부분의 실험실에서 일반적으로 사용되는 재료에 맞게 수정됩니다. 액체 용기는 거의 모든 상용 성 물질로 특별한주의가 용기 또는 전기 아크 가지 경우에 액상의 가연성에 지불해야에서 할 수있다; 연소 할 때 예를 들어 테프론 유해 가스를 생성합니다. 전극 모양, 배치 및 재료는 주어진 셋업의 제약에 맞게 변경할 수 있습니다. 포일로 만들어진 일반적으로 평면형 전극을 사용하지만, 와이어는 또한 전류 밀도 지침만큼 사용될 수있다 고려됩니다. 인가 전계는 순수한 DC, AC 순수 할 수 있거나, DC는 AC 바이어스를. 모두는 20 Hz 사이에 적당한 전압을위한 20 ㎑의 최대 응답 주파수 범위를 정의하는 유전체 (EWOD)에 일렉트로 웨팅에 문헌에 기재된 액체 및 유전 영동 (DEP) 9에 대한 주파수 종속 응답 범위 내의 액체 브리지를 생성한다. 이러한 명시 적으로 테스트되지 않은 일부 근로자가 50 Hz 42로 AC 수직 교량에 대한 하한을보고하고 있지만 더 높은 주파수 범위는 다리를 생성 할 수있다. 중력 방향은도 용이 한 시스템이 적용된 전기장없이 안정한 자유 액체 표면을 제공하도록 고안 될 수있는 바와 같이 수정된다. 실험은 이들 브리지 액체 다리의 힘의 균형을 유지 섬세한 중력의 안정화에 영향 의존성을 갖고 있음을 보여 주었다 (41)의 중력 부재하에 실시되었다.
ENT "> EHD 액체 브리지가 많은 자연 과학 애플리케이션의 레퍼토리에 부가 할 수있는 새로운 도구이다. 이들은 외부인가 전계와 벌크 및 표면의 힘의 상호 작용의 탐색을 허용한다. 그들은 새로운 방법을 검토 할 수있는 기회를 열어 다른 액체 (37)를 혼합하는 단계; 변화하는 화학 반응 속도론 52 양성자 수송 44,45]과 같은 조건 (53) 생물학적 시스템의 응답을 검사하는 이외에도 이들 브리지가 이미 새로운 나왔고 어떤 물리적 이루는 구조없이 액체 표면에 직접 액세스 할 수있다. 액체 상태의 물 (28)의 역학 분광 정보뿐만 아니라 새로운 대량 속성을 완전히 새로운 방법으로 액체 – 액체 상전이 (54)를 조사하기 위해 31 등장하지만 전위함으로써 전기적으로 제어 상태 스위치의 존재에서. 광범위한 산업 응용 프로그램 힌트 EHD 프로세스 (예를 들어 </e> m,이 밀접하게 연합하는 현상에 대한 더 많은 연구가 혜택을 누릴 수 있습니다 가장 확실) (26)를 전기 방사하고, 32, 33 방법을 전기 분무.The authors have nothing to disclose.
이 작품은 Wetsus, 지속 가능한 물 기술 (www.wetsus.nl)에 대한 우수 센터의 TTIW – 협력 프레임 워크에서 수행 하였다. Wetsus 경제 – 유럽 연합 (EU) 지역 개발 기금, Fryslân의 성, 레이와 르던의시와 'Samenwerkingsverband 노 르트 네덜란드의 EZ / 콤파스 프로그램 "의 네덜란드 정부에 의해 자금을 지원한다. 저자는 유익한 토론과 재정 지원을위한 연구 과제 "응용 물 물리학"의 참가자들에게 감사드립니다.
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 |