Horisontale og vertikale electrohydrodynamic flytende broer er enkle og kraftige verktøy for å utforske samspillet av høy intensitet elektriske felt og polare dielektriske væsker. Byggingen av grunnleggende apparater og operative eksempler, inkludert termografisk bilder, for tre væsker (for eksempel vann, DMSO, og glyserol) er presentert.
Horisontale og vertikale flytende broer er enkle og kraftige verktøy for å utforske samspillet av høy intensitet elektriske felter (8-20 kV / cm) og polare dielektriske væsker. Disse broene er unik fra kapillar-broer ved at de oppviser forlengbarhet enn noen få millimeter, har komplekse toveis masseoverføringsmønstre, og avgir ikke-Planck infrarød stråling. En rekke vanlige oppløsningsmidler kan danne slike broer, så vel som lav konduktivitet løsninger og kolloidale suspensjoner. Den makroskopiske oppførsel styres av electrohydrodynamics og gir et middel til å studere fluidstrømningsfenomener uten tilstedeværelse av stive vegger. Før utbruddet av en flytende bro flere viktige fenomener kan observeres blant annet fremme menisk høyde (electrowetting), bulk væske sirkulasjon (den Sumoto effekt), og utstøting av ladede dråper (Elektro). Samspillet mellom overflaten, polarisering og fortrengning styrker kan være direkte undersøkt avvarierende påtrykte spenningen og broen lengde. Det elektriske felt, hjulpet av tyngdekraften, stabiliserer den flytende bro mot Rayleigh-Plateau ustabiliteter. Konstruksjon av grunnleggende apparat for både vertikal og horisontal retning sammen med operative eksempler, blant annet termografiske bilder i tre væsker (f.eks, vann, DMSO og glyserol) er presentert.
Samspillet mellom elektriske felt og flytende materie resulterer i en rekke styrker utvikler seg i materialet bulk. I reelle flytende dielektriske systemer, de ikke-neglisjerbare felt gradienter og symmetri bryte geometrier resultere i en rekke tilsynelatende eiendommelige virkninger. Hertz var en av de første å være oppmerksom på den roterende bevegelse i væske-faststoff dielektriske systemer en. Quincke observert at grenseflatespenningen mellom to væsker ble ikke bare endret ved påføring av et eksternt elektrisk felt, men at denne endring resulterte i utøvelse av krefter på fluid legeme og kan brukes til å indusere roterende bevegelse 2.. Armstrong oppdaget flytende vann bro i 1893 tre som forble en gåtefull fest trick inntil nylig da Fuchs og medarbeidere utforsket masse og ladningstransport mekanikk 4,5 og gjenåpnet alvorlig vitenskapelig gransking av mekanismer som disse broene danne. Elektriske felt har ability å løfte væske mot tyngdekraften som Pellat arbeid med dielektrisk væske stige mellom parallelle plate elektroder viser seks. Denne løfte handlingen viser en frekvens avhengighet og til slutt kan beskrives via Maxwell stresset tensor 7. Dette er viktig når de vurderer væskenivået stige i forbindelse med electrohydrodynamic (EHD) flytende broer som under AC BETINGELSER viser en frekvens avhengighet åtte lik electrowetting på dielektrisk (EWOD) og dielectrophoretic (DEP) massestrøm 9. Videre er anvendelsen av høye potensielle elektriske felt viktig å kontrollere væskestrålen bryte opp og samspillet av det elektriske felt med væske er vesentlig for forståelsen av den industrielt viktig prosess for electro forstøving 10,11.
En ekstern elektrisk felt ikke bare påvirke overflateenergi. På grunn av virkningen av polarisering og skjærspenning, strømningsmønstre kanvære etablert. Et eksempel er en sirkulasjon av væske i nærvær av inhomogene elektriske felt. Herved electroconvective strømninger er etablert i væskedelen drevet av skjærspenninger. Tokushima viste at en fluid-motoren kan bygges ved hjelp av en glass rotor som inneholder enten en polar væske eller en metallstav nedsenket i et ikke-polart dielektrikum bad og plasseres innenfor en inhomogene elektriske felt 12. Senere analyse ved Okano benyttes et homogent felt tilnærmelse 13 til å løse dreie problem som bare kvalitativt matche de eksperimentelle resultater og de dielektriske væsker som kreves for å reagere som en enkeltstående masse. Andre forskere om emnet savnet et punkt i sin helhet som de feilaktig meldt og utforsket Tokushima virkning som en væskenivået stige 14-16 som reaksjon på det elektriske feltet arbeid utviklet av Pellat 17. Betydningen av overflate symmetri bryte for prosessen med å lokalisere omkostninger og generert skjær streSS 18 er viktig å forstå for forskning på flytende EHD broer. Melcher sin avhandling om Kontinuumsmekanikk elektromekanikk 19 gir en komplett teoretisk grunnlag for behandling av flytende og forenkler frie overflater i isotropisk homogen grense. Betydningen av overflater er likevel klart selv fra kontinuum ståsted som tap av symmetri resultater i skjærspenning som kan generere bulk bevegelse. Tatt i det generelle tilfellet av diskrete mobile fluidvolum som kan bli polarisert, og er gjenstand for den resulterende reaktive kraft ved tilnærming til overflaten, kan det elektriske feltet interaksjon være substituert i begge Navier-Stokes 20 og Bernoulli-7,21,22 relasjoner å beskrive mengden av EHD strømningsfenomener inklusive flytende broer. Videre studier av flytende broer kan forbedre en rekke EHD baserte teknologier som blekk jet utskrift 23-25, mikro-og nano-materialer behandlingen 26-28, levering av legemidler 29, 30, biomedisinske applikasjoner 31,32, og avsalting 33.
Metodene som beskrives her, gir tilgang til dannelse av EHD flytende broer som er funnet i polare væsker som har molekyler besitter en permanent dipolmoment. De pålagte inhomogene resultater elektrisk felt i en delvis polarisering av dipol befolkningen gir en lokal endring av dielektrisk permittivitet dermed ytterligere forsterke felt gradienter 18,34,35. Denne polarisasjon gir opphav til en forskyvningskraft som, avhengig av den relative intensiteten til det påtrykte feltet vil generere en rekke forskjellige flytende reaksjoner (se figurene 4-7) til slutt resulterer i dannelsen av en bro. Væsken vil også utvikle en Taylor strømme 22,36 langs elektrodeflatene, spesielt i tilfeller hvor det er en skarp kant til stede på elektrodene. Muligheten for charge injeksjon på skarpe kanter også eksisterer og er konsistent med dendannelsen av heterocharge lag som genererer electroconvective strømmer i våt bulk 22 og dermed knytte den flytende bro systemet med Sumoto effekt 12. De styrende EHD relasjoner for bruer er mye dekket andre steder for vann og andre polare væsker 22,36-38. Disse teoretiske tilnærminger lider visse begrensninger som bør vurderes når du nærmer eksperimentelle data. Den Maxwell stresset tensor behandling 36 er ufølsom overfor felt heterogeniteter, så vel som ikke-ensartetheter i den flytende bro. En ren EHD tilnærming 37 gir steady state definisjoner av electrogravitational nummer og dens forhold til broen størrelsesforhold; derimot, er strømningsdynamikk og viktig forbigående fenomener (f.eks bro skapelse) ikke spådd. Tre dimensjonsløse tall er nyttige når analysere broens stabilitet og er utledet her som tidligere publisert av Marin & Lohse 37 </sopp>. Den electrocapillary nummer (Ca E) er som er definert som forholdet mellom elektriske og kapillære krefter:
hvor ε 0 er vakuum permittiviteten, ε r den relative dielektriske permittiviteten av væsken, E t er det elektriske felt over broen, er γ overflatespenningen, d s og d l er de vertikale og horisontale projeksjoner av diameteren, slik som for å gi den midlere diameter D m. Bond nummer (Bo) beskriver balansen mellom gravitasjon og kapillære krefter:
hvor g er tyngdens akselerasjon, er l den frie bro lengde, og V er volumet av broen. Forholdet mellomgravitasjons, kapillær, og elektriske krefter kan uttrykkes i form av antall electrogravitational G E:
Den maksimale utvidelse av en bro er relatert til påtrykt spenning, mens den strøm som flyter gjennom broen er knyttet til tverrsnittsarealet og dermed diameteren. Disse forhold er koplet, bestemme volumet broen, og derved definere en region av stabilitet for en gitt drifts flytende bro. De karakteristiske kurver for en vann-bro er vist i figur 3, som viser en lavere terskel under hvilken det tilførte feltet er for svak til å overvinnes overflatespenningskrefter og en øvre terskel over hvilken massen av broen er for store resulterer i lekkasje som ytterligere forstyrrer feltet og resulterer i bridge ruptur.
Den mer generelle godbitling av flytende broer i polare løsemidler 19,22 gir den kombinerte trykkbetingelser opererer med broen å forutsi hvilke krefter som styrer strømningsdynamikk i sammenheng med en modifisert Bernoulli ligning med elektriske fortrengning vilkår lagt til trykk sikt. I tillegg Onsager forholdet for ion stabilitet 24 er innlemmet i avtalen med eksperimentelle observasjoner på likevekt pumping retning og termiske utslipp.
En rekke polare væsker har vært undersøkt, inkludert vann, lavere alifatiske alkoholer (for eksempel metanol), poly-alkoholer (for eksempel glycerol), dimetylsulfoksyd (DMSO), og andre polare organiske stoffer (f.eks, dimetylformamid). Ikke-polare dielektriske væsker (f.eks, heksan) ikke viser bridge formasjon. Den dielektriske væsker som tåler broer hittil studert 8,22,37 ligger innenfor en veldefinert gruppe fysiske parametere som etablerer et godt utgangspunkt for videre eksperimentering: lav konduktivitet (σ <5 mS / cm), moderat statisk relativ permittivitet (ε = 20-80), moderat til høy overflatespenning (γ = 21-72 mN / m). Interessant nok et bredt spekter av viskositeter (η = 0,3 til 987 mPa sek) arbeid i slike broer. I væsker med tilstrekkelig høy viskositet slik som glyserol er det mulig å trekke en bro direkte fra den flytende hoveddelen (se figur 5), og er en viktig forbindelse mellom dielectrophoretic krefter og flytende broer. Ioniske løsninger (f.eks, NaCl (aq)) er svært forstyrrende for å bygge bro formasjonen og i tidligere studier 40 har vist seg å øke temperaturen av broen, minske lengden til påtrykt spenning-forhold, og for å redusere utvidbarhet. Denne oppførsel er i stor grad tilskrives den charge skjerming effekten av oppløste ioner, så vel som øket strømledning som reduserer koblingen mellom væskevolumelementer og det elektriske felt.
<p class = "jove_content"> På kontinuum nivå EHD fenomener oppstår rett og slett fordi de nødvendige trykk vilkår som følger electrostriction er bare funnet på det flytende grensesnitt 21. Videre, er det en sammenheng mellom stabiliteten av EHD flytende broer og stabiliteten av grensesnittene i systemet. I tilfelle av reduserte tyngde eksperimenter 41 de ekspanderende flateareal resulterer i en kraft som river broen fra hverandre. Likeledes hvis overflaten er for trangt eller subtending kontaktområdet liten brua vil trolig utvikle ustabiliteter. Dette kan illustreres i broer som er matet ved hjelp av rør, eller i tilfelle av vertikale broer, hvor en elektrode er trukket oppover fra overflaten – de resulterende broene er mindre stabile i drift over lang tid som de mangler de karakteristiske strømningsdynamikk som finnes i den situasjon hvor begge reservoarer har en stor fri overflate. Broer som forbindelser til fluidreservoaret er innelukket i rør viser increased termisk akkumulering og fallende overflatespenning. Det er typisk at et luftgrensesnitt vil spontant dannes inne i røret. Denne tilstanden grenser både den maksimale utvidelsesmuligheter så vel som den gjennomsnittlige levetid av broen for trange flytende broer. Åpne overvanns broer kan utvides til 35 mm lengde ved 35 kV mens ingen broen vil vedvare på en slik akselerer spenning i sperring som væsken fortrinnsvis går over til en electro modus. Likeledes gratis overvanns broer har stabilitets levetid nærmer seg 10 timer under kontrollerte forhold, mens i tube matet systemer levetiden er vanligvis mindre enn 2 timer.EHD fenomener er vanligvis betraktet bare på kontinuum nivå. Det er utført et begrenset antall studier på det molekylære grunnlaget for flytende broer. En Raman studie 42 ved hjelp av vertikale AC broer undersøkte inter-molekylære OH-stretching bandet i forhold til bulk vann. Noen endringer i fmattering profiler etter påføring av det elektriske felt som er vist til å ha en strukturell opprinnelse. Ved hjelp av ultrafast mid-infrarød spektroskopi pumpe probe på en flytende vann bro 43 vibrasjonen levetiden for OH strekk vibrasjon av HDO molekyler inneholdt i en HDO: D 2 O vann broen ble funnet å være kortere (630 ± 50 fsec) enn for HDO molekyler i bulk HDO: D 2 O (740 ± 40 fsec), mens i kontrast, de thermalization dynamikk følgende vibrasjonen avslapning er mye tregere (1500 ± 400 fsec) enn i bulk HDO: D 2 O (250 ± 90 fsec). Disse forskjellene i energi avslapping dynamikk sterkt indikerer at vannet broen og bulk vann forskjellig på en molekylær skala. Videre forskning på infrarød stråling fra et flytende vann bro avslørte en ikke-termisk egenskap som kan være på grunn av en overgang fra en ekssitert tilstand til grunntilstanden av et proton ledningsbåndet 44. En nyere Raman studie reported at det i DC vann broer er det en radiell fordeling i spektrene som er en indikasjon på relative forskjell i den lokale pH-verdi mellom kjernen og det ytre skall av broen 45. Den radiale fordeling av fysiske egenskaper i løpet av EHD flytende broer er videre støttet av uelastisk spredning UV eksperimenter 46 som gir motstridende radiale fordelinger i temperatur og tetthetsprofiler, og kan forklares enten ved en gradient i molekylfrihetsgrader eller tilstedeværelsen av en sekundær fase som nanobobler. Den senere konseptet er ikke støttet av en liten vinkel X-ray spredning studie 47 mens begrepet hindret rotasjon (dvs. librations) støttes fra infrarød spektrene 44. Fortrinnsstrømningsretning i EHD flytende broer oppstår fra endringer i auto-dissosiasjon kinetikk. Etter avtale med arbeidet Onsager dette funnet holder løftet for tilkobling av molekylære og Continuum nivå fenomener <sup> 22. Ytterligere bevis for en molekylær basis for å EHD fenomener er funnet i den observasjonen at termiske emisjon fra et dielektrisk dråpe avtar lokalt som reaksjon på den økende elektriske felt, og når et minimum like før utbruddet av en bro (se figur 7).
EHD flytende broer presentere en mulighet til å undersøke samspillet mellom kreftene på flere lengdeskala, og det er den spesifikke Formålet med dette arbeidet å tilveiebringe en standardisert fremgangsmåte for fremstilling av slike broer i en rekke væsker med en hvilken som helst orientering i forhold til tyngdekraften som støtter veksten av et komplett sett med karakteristiske fenomener diskutert tidligere.
Den vellykkede dannelsen av stabile og robuste EHD flytende broer krever oppmerksomhet som skal betales til visse enkle, men viktige detaljer. Det er viktig at den ioniske ledningsevne av løsningene være så lavt som praktisk (som 1-5 mS / cm). Vær oppmerksom på at vannforurensning kan føre til økt ledningsevne for enkelte polare væsker (f.eks, glyserol). Vask alle glassvarer godt betalende oppmerksomhet til forsiktig skylling, må du bare bruke glass for fri overflateforurensing eller bue indusert brennmerker. Generelt er det lurt å bruke hansker når du håndterer noe utstyr for å hindre at olje og salter forurenser forsøket. Elektrodene bør sonikert i flere minutter i løsningsmidlet under studien, og det anbefales at disse er "innbrent" ved å kjøre en unextended bro i 30-45 min ved høye strømverdier (f.eks, 3-5 mA) for å redusere sekundære elektrode reaksjoner. Høy renhet (f.eks> 99,9%edelmetaller) fungerer best som elektrodematerialer og bør ha tilstrekkelig overflateareal, slik som å opprettholde lave strømtettheter av størrelsesorden 10 A / m, slik som å redusere lokal oppvarming.
I tilfelle av broer som har dårlig stabilitet eller er vanskelige å starte det anbefales først å bekrefte ledningsevne er ~ 1 mS / cm og at det ikke er noen utenforliggende bassenger av væske som kan tillate en alternativ strømbanen. Generelt anbefales det at alle overflater være så tørr som mulig, betaler spesiell oppmerksomhet til tynne filmer som kan danne mellom fartøy og isolerende plater. Hvis lysbue oppstår avbrudd strøm og reduserer spenning verdi deretter koble inn strømmen som vedvarende lysbue vil resultere i "karbo" av berørte områder som kan redusere bro stabilitet eller hindre bro tenning alle sammen. Hvis enheten er tilkoplet til systemet over terskelspenningen, og ingen bro danner en isolert glasstav kan brukes til å trekke væske oppover mot the kontaktpunkter (f.eks beaker spouts) mellom de to fartøyene. Hvis systemet fortsetter å oppføre seg på en ustabil måte rengjøre utstyret og starte på nytt med frisk væske. Sviktende dette, er det anbefalt å ta opptelling av omgivelsene som store metallgjenstander, materialer som støtter statisk elektrisitet, eller sterke luftstrømmer kan forstyrre broen og / eller det elektriske feltet som støtter det.
Den eksperimentelle systemet er enkelt endres til å passe materialer som vanligvis er tilgjengelige i de fleste laboratorier. Væskebeholdere kan være fra nesten hvilken som helst kompatibelt materiale og spesiell oppmerksomhet bør vies til brennbarhet av beholderen eller væskefase i tilfelle av elektrisk lysbue; for eksempel Teflon vil generere farlige gasser ved forbrenning. Elektrode form, plassering, og materialet kan også endres for å passe begrensninger av et gitt oppsett. Vanligvis plane elektroder laget av folie anvendes, men ledningen kan også brukes så lenge de gjeldende retningslinjer tetthet blir tatt hensyn til. Den anvendte elektriske feltet kan være ren DC, ren AC eller DC partisk AC. Alt vil produsere flytende broer innenfor frekvensavhengig responsområde for væsker som er beskrevet i litteraturen på electrowetting på dielektrikum (EWOD) og dielectrophoresis (DEP) 9 som definerer en responsfrekvensområde mellom 20 Hz og opp til 20 kHz for moderate spenninger. Høyere frekvensområder kan også generere broer selv om disse ikke har vært eksplisitt testet og noen arbeidere har rapportert den nedre grensen for AC vertikale broer å være 50 Hz 42. Orientering av tyngdekraften er også lett modifiseres så lenge som et system, kan være utformet for å gi frie væskeflater som er stabile uten et påført elektrisk felt. Forsøk har blitt utført i fravær av tyngdekraften 41 som viste at disse broer har en avhengighet av den stabiliserende innvirkning av tyngdekraften som opprettholder den delikate balanse av krefter i en flytende bro.
ent "> EHD flytende broer er et nytt verktøy som kan legges til repertoaret av mange naturfaglige programmer. De tillater utforskningen av samspillet av bulk og overflatekrefter med eksternt påførte elektriske felt. De åpner muligheten til å undersøke nye måter blanding av ulike væsker 37; endring kjemiske reaksjonskinetikk 52; proton transport 44,45, og undersøke responsen av biologiske systemer til slike forhold 53 I tillegg er disse broer tillate direkte adgang til den flytende overflate uten fysisk rager i strukturer som allerede har gitt ny. spektroskopisk informasjon om dynamikken i flytende vann 28 og antyder ikke bare ved at det foreligger en elektrisk styrt tilstand hvorved bryteren nye bulkegenskaper dukke 31, men ved å undersøke potensialet væske-væske-faseoverganger 54 gjennom en helt ny metode. Den utbredte industrielle anvendelsen av EHD prosesser (f.eks </em>, electro 26, og Elektro 32,33 metoder) absolutt kan dra nytte av videre studier av disse nært allierte fenomener.The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble utført i TTIW-samarbeid rammen av Wetsus, kompetansesenter for bærekraftig vannteknologi (www.wetsus.nl). Wetsus er finansiert av det nederlandske Ministry of Economic Affairs, EU Regional Development Fund, provinsen Fryslân, byen Leeuwarden og EZ / Kompas program av "Samenwerkingsverband Noord-Nederland". Forfatterne ønsker å takke deltakerne i forskningstema "Applied Water Physics" for fruktbare diskusjoner og deres økonomiske støtte.
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 |