Горизонтальные и вертикальные электрогидродинамические жидкие мостики простые и мощные инструменты для того, чтобы исследовать взаимодействие высокой интенсивности электрических полей и полярных диэлектрических жидкостей. Строительство основного аппарата и оперативных примеров, в том числе термографического изображения, для трех жидкостей (например, вода, ДМСО, и глицерин) представлено.
Горизонтальные и вертикальные жидкость мосты простые и мощные инструменты для того, чтобы исследовать взаимодействие высокой интенсивности электрических полей (8-20 кВ / см) и полярных диэлектрических жидкостей. Эти мосты являются уникальными от капиллярных мостов в том, что они обладают расширяемость за несколько миллиметров, имеют сложные двунаправленную модели массообмена, и излучают не-Планка инфракрасное излучение. Ряд обычных растворителей могут образовывать такие мосты, а также низкие решения проводимости и коллоидных суспензий. Макроскопическая поведение регулируется электрогидродинамики и обеспечивает средства изучении явлений потока текучей среды без присутствия жесткими стенками. До наступления жидкого моста нескольких важных явлений можно наблюдать в том числе наступающей высоты мениска (электросмачивания), объемной циркуляции жидкости (эффект Sumoto), и выбросом заряженных капель (электрораспыление). Взаимодействие между поверхностными, поляризация и перемещения сил может быть непосредственно рассмотреныразличной приложенное напряжение и длину моста. Электрическое поле, помогал тяжести, стабилизирует жидкую мост против Рэлея-Плато неустойчивости. Строительство основного устройства для вертикальной и горизонтальной ориентации наряду с оперативными примеров, в том числе термографического изображения, для трех жидкостей (например, вода, ДМСО, и глицерин) представлено.
Взаимодействие между электрическими полями и результатов жидких сред в ряде сил развивающихся в материальном объеме. В реальных жидких систем диэлектрических, не-незначительные градиенты поля и нарушение симметрии геометрии привести к ряду, казалось бы, свойственных эффектов. Герц был одним из первых обратил внимание вращательное движение в жидкость-твердое диэлектрических систем 1. Квинке отмечено, что поверхностное натяжение между двумя жидкостями не только изменен приложении внешнего электрического поля, но, что это изменение привело к физической нагрузке сил на жидкости тела, и может быть использовано, чтобы вызвать вихревое движение 2. Армстронг открыл мост плавающей воды в 1893 3, которая осталась загадочной партии трюк до недавнего времени, когда Фукс и его коллеги исследовали массу и заряд механику транспортных 4,5 и вновь серьезное научное расследование механизмов, посредством которых эти мосты образуют. Электрические поля имеют Abilitу поднять жидкостей против силы тяжести, как работа Pellat на диэлектрической подъема жидкости между плоскопараллельными электродами показывает 6. Это подъема действие показывает зависимость от частоты и, в конечном счете может быть описано с помощью тензора напряжений Максвелла 7. Это важно при рассмотрении подъем уровня жидкости, связанную с электрогидродинамических (ЭДК) жидких мостов, которые в условиях переменного действительно показывают частотную зависимость 8 похожий на электросмачивания на диэлектрической (EWOD) и dielectrophoretic (DEP) массового расхода 9. Кроме того, применение высоких потенциальных электрических полей важно в борьбе с струя жидкости разбить и взаимодействие электрического поля с жидкостями имеет важное значение для понимания промышленно важный процесс электрораспылительной атомизации 10,11.
Внешнее электрическое поле влияет не только поверхностную энергию. В связи с действием поляризации и напряжения сдвига, поток шаблоны могутустанавливаются. Одним из примеров является циркуляция жидкостей в присутствии неоднородных электрических полей. Настоящим электроконвективные токи устанавливаются в объеме жидкости обусловлен касательных напряжений. Сумото показали, что двигатель жидкости может быть построен с использованием стеклянного ротор, содержащий либо полярной жидкости или металлический стержень, погруженный в неполярном диэлектрической ванны и помещали в неоднородном электрическом поле 12. Позже анализ Okano использовал однородное поле приближение 13 решить проблему ротации, которые могут только качественно соответствовать экспериментальные результаты и требуется диэлектрические жидкости ответить как особой массы. Другие исследователи по этому вопросу полностью упустили из виду, как они ошибочно сообщили и исследовали эффект Sumoto как уровень жидкости поднимется 14-16 в ответ на электрический полевых работ, впервые разработанной Пелла 17. Важность поверхности симметрии для процесса локализации заряда и генерируется Stre сдвигасс 18 имеет важное значение для понимания для исследования жидких ЭГД мостов. Трактат Melcher на сплошных электромеханики 19 предоставляет полный теоретическую базу для лечения наливных грузов и упрощает свободных поверхностей внутри изотропной однородной предела. Важность поверхностей, тем не менее ясно уже из континуума точки зрения, как потеря результатов симметрии в напряжения сдвига, которые могут генерировать объемную движение. Взятые в общем случае дискретных мобильных объемов жидкости, которые могут быть поляризованными и подлежащих к полученному реактивной силы при приближении к поверхности, взаимодействие электрического поля можно подставить в обоих Навье-Стокса 20 и Бернулли 7,21,22 отношений описать множество явлений ЭГД течения в том числе жидких мостов. Дальнейшее изучение жидких мостов может улучшить ряд ЭГД основе технологий, таких как струйная печать 23-25, микро-и нано-материалов обработку 26-28, доставки лекарств 29, 30, биомедицинские приложения 31,32, и опреснение 33.
Методы, описанные здесь обеспечить доступ к образованию жидких мостов ЭГД которые находятся в полярных жидкостей, молекулы которых обладают постоянным дипольным моментом. Наложенные неоднородные результаты электрического поля в частичной поляризации диполя населения, дающие локальный изменение диэлектрической проницаемости, таким образом, еще больше укрепляя полевые градиенты 18,34,35. Эта поляризация приводит к силу смещения, которые в зависимости от относительной интенсивности приложенного поля будет генерировать несколько различных жидких ответов (рисунки 4-7) в конечном счете, приводит к образованию моста. Жидкость будет также разрабатывать Тейлор течь 22,36 вдоль поверхности электродов особенно в тех случаях, когда существует острая кромка присутствует на электродах. Возможность инжекции заряда в острых кромок также существует и в соответствии сформирование гетерозаряда слоев, которые генерируют электроконвективных токи в объеме жидкости 22, таким образом, связывающие системы жидкостного моста с эффектом Sumoto 12. Руководящие EHD отношения для мостов широко освещаются в другом месте для воды и других полярных жидкостей 22,36-38. Эти теоретические подходы страдают определенные ограничения, которые должны учитываться при приближении экспериментальных данных. Максвелл тензор напряжений лечение 36 нечувствительна к полевых неоднородностей, а также неоднородностей в жидкой моста. Чистый EHD подход 37 обеспечивает устойчивого состояния определений электрогравитационного числа и его связи с отношением мост сторон; Однако, динамика потоков и важно переходные явления (например, создание моста) не предсказал. Три безразмерные числа полезны при анализе устойчивости моста и основана здесь, опубликованной ранее Марин и Лозе 37 </sдо>. Электрокапиллярной число (Са Е), которая определяется как соотношение между электрическими и капиллярных сил:
где ε 0 является электрическая постоянная, ε г относительную диэлектрическую проницаемость жидкости, E т является электрическое поле через мост, γ является поверхностное натяжение, D S и D L являются вертикальные и горизонтальные проекции диаметра так как с получением среднего диаметра D кв. Бонд номер (Бо) описывает баланс гравитационных и капиллярных сил:
где г является гравитационное ускорение, л является длина свободного мост, и V является объем мост. Соотношение междугравитационное, капилляр, и электрические силы могут быть выражены в терминах числа электрогравитационного G E:
Максимальное расширяемость моста связана с приложенным напряжением в то время как ток, протекающий через мост связано с площадью поперечного сечения и, следовательно, в диаметре. Эти отношения связаны, определить объем моста, и, таким образом, определить область устойчивости для любой операционной жидкого моста. Характерные кривые для воды моста приведены на рисунке 3, который показывает более низкий порог, ниже которого приложенного поля слишком слабы, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения и верхний порог, выше которого масса моста слишком велика в результате утечки, который еще больше разрушает поле и приводит к разрыву моста.
Более общая удовольствиение жидких мостов в полярных растворителях 19,22 обеспечивает условия давления в сочетании, работающих с мостом для прогнозирования силы, регулирующие динамику потока в контексте модифицированного уравнения Бернулли с точки зрения электрического смещения, добавляемых в перспективе давления. Кроме того отношения Онзагер для ионов стабильности 24 включено в соглашение с экспериментальными наблюдениями на равновесной насосных направлении и теплового излучения.
Количество полярных жидкостей были изучены в том числе воды, низшие алифатические спирты (например, метанол), поли-спирты (например, глицерин), диметилсульфоксид (ДМСО), а также другие органические полярные (например, диметилформамид). Неполярные диэлектрические жидкости (например, гексан) не проявляют образование моста. Диэлектрические жидкости, способные поддерживать мосты до сих пор изучены 8,22,37 ложь в пределах четко определенной группы физических параметров, которые устанавливают хорошую отправную точку фог дальнейшие эксперименты: низкая проводимость (σ <5 мкСм / см), умеренный статическая диэлектрическая проницаемость (ε = 20-80), от умеренной до высокой поверхностного натяжения (γ = 21-72 мН / м). Интересно широкий спектр вязкости (η = 0.3-987 мПа · сек) работа в таких мостов. Для продуктов с достаточно высокой вязкости, таких как глицерин можно тянуть мост непосредственно из жидкой массы (рисунок 5) и является важным связующим звеном между dielectrophoretic сил и жидких мостов. Ионные растворы (например, NaCl (р-р)) являются крайне разрушительными для преодоления образование и в предыдущих исследованиях 40, как было показано для повышения температуры моста, уменьшить длину в соотношении приложенного напряжения, и, чтобы уменьшить расширяемость. Такое поведение объясняется в значительной мере заряда экранирующего действия растворенных ионов, а также повышенной проводимости тока, что уменьшает сцепление между элементами объема жидкости и электрического поля.
<р = класса "jove_content"> На ЭГД явлений уровня континуума возникает просто потому, что необходимые условия давления, которые сопровождают электростриции встречаются только в жидкой интерфейс 21. Кроме того, существует взаимосвязь между устойчивостью жидких мостов ЭГД и стабильности интерфейсов в системе. В случае пониженной гравитации экспериментов 41 расширяющиеся результаты площадь поверхности в силу которой разрывает мост друг от друга. Подобным же образом, если поверхность слишком ограничены или площадь контакта стягивающего небольшой мост, скорее всего, развиваться неустойчивости. Это может быть проиллюстрировано в мостах, которые подают по трубке или в случае вертикальных перемычек, где один электрод тянут вверх от поверхности – в результате мосты менее стабильны в длительной эксплуатации, так как они не имеют динамику характеристики потока, найденные в ситуации, когда оба водохранилища имеют большую площадь свободного сечения поверхности. Мосты, чьи соединения с резервуаром жидкости заключены в трубы шоу яncreased тепловой накопление и падения поверхностного натяжения. Характерно, что воздушный интерфейс будет спонтанно образуют внутри трубки. Это условие ограничивает как максимальную расширяемость, а также среднее время жизни моста для ограниченных жидких мостов. Открытые водные мосты поверхности может быть продлен до 35 мм в длину на 35 кВ в то время как не было никакого моста будет сохраняться на таком ускоряющего напряжения в замкнутом объеме, а жидкость преимущественно переходит в электрораспылительным режиме. Подобным же образом водной поверхности мосты имеют сроки службы стабильности приближается к 10 ч в контролируемых условиях, в то время как в трубных систем подается срок службы, как правило, менее 2 часов.ЭГД явления, как правило, рассматривается только на уровне континуума. Ограниченное число исследований по молекулярной основе жидких мостов были проведены. Исследование комбинационного 42 с помощью вертикальных мосты переменного тока исследовали между молекулярной OH-растяжения полосы по сравнению с объемной воды. Некоторые изменения в подкожноattering профили после применения электрического поля показано, что структурные происхождение. Использование сверхбыстрого средней инфракрасной спектроскопии насос зонда на водяной моста плавающей 43 колебательный срок службы ОН растяжения вибрации молекул HDO, содержащейся в HDO: D 2 O воды моста было установлено, что более короткий (630 ± 50 фс), чем для молекул HDO оптом HDO: D 2 O (740 ± 40 фс), в то время как в отличие, динамика Термализация следующие колебательной релаксации гораздо медленнее (1500 ± 400 фс), чем в объемном HDO: D 2 O (250 ± 90 фс). Эти различия в динамике релаксации энергии убедительно свидетельствуют о том, что вода мост и масса воды отличаются на молекулярном уровне. Кроме того, исследования на инфракрасного излучения моста плавающей воды показали нетепловую особенность, которая может быть связана с переходом из возбужденного состояния в основное состояние протона зоны проводимости 44. Еще более свежий комбинационного исследование REPORTEд, что в постоянного тока воды соединяет есть радиальное распределение в спектрах что свидетельствует о относительной разницы в локальной рН между сердцевиной и наружной оболочки моста 45. Радиальное распределение физических характеристик в рамках жидких мостов ЭГД подкрепляется экспериментах по рассеянию неэластичен УФ 46, который дает противоречивые радиальные распределения в профилях температуры и плотности и может быть объяснена либо градиентом в молекулярных степеней свободы или присутствии второй фазы как нано пузырьков. Позже концепция не поддерживается малым углом рентгеновского исследования рассеяния 47, хотя концепция заторможенного вращения (т.е. либрации) поддерживается из спектров инфракрасного излучения 44. Направление льготный поток в жидких мостов ЭГД возникает в результате изменений в авто-кинетики диссоциации. В соответствии с работой Онсагером эта находка позволяет надеяться для подключения молекулярные и сплошной явления на уровне <вир> 22. Дальнейшие доказательства молекулярной основе к ЭГД явлений находится в наблюдении, что тепловое излучение от диэлектрической капли локально уменьшается в ответ на растущую электрического поля и достигает минимума только до начала моста (рисунок 7).
EHD жидкие мостики предоставит возможность изучить взаимосвязь между силами в различных масштабах длины, и это конкретная цель этой работы, чтобы обеспечить стандартизированный метод для получения этих видов мостов в ряде жидкостей с любой ориентации относительно тяжести, что поддерживает Появление полного набора характерных явлений обсуждался ранее.
Успешное формирование стабильных и надежных EHD жидких мостов требуется уделить внимание некоторым простым, но важных деталей. Очень важно, что ионная проводимость растворов быть как практической (например, 1-5 мкСм / см). Знайте, что загрязнение воды может привести к увеличению проводимости для некоторых полярных жидкостей (например, глицерина). Вымойте все посуда хорошо обращая внимания на осторожном полоскании, используйте только изделия из свободной от загрязнений поверхности или дуговых индуцированной следы ожогов. В целом это хорошая практика, чтобы носить перчатки, когда справиться с любой оборудование для предотвращения кожных жиров и соли от загрязнения эксперимент. Электроды должны быть ультразвуком в течение нескольких минут в растворителе изучаемого и рекомендуется, что это "Термообработка", запустив продленного мост в течение 30-45 мин при высоких значениях тока (например, 3-5 мА), чтобы уменьшить среднее электрод реакций. Высокая чистота (например,> 99,9%благородные металлы) работают лучше всего, как электродных материалов и должен иметь достаточную площадь поверхности для того, чтобы поддерживать низкие плотности тока на порядка 10 А / м, чтобы уменьшить локальный нагрев.
В случае мостов, которые имеют плохую стабильность или трудно начать его сначала рекомендуется подтвердить проводимости ~ 1 мкс / см, и что нет никаких посторонних бассейны жидкости, которые могут позволить альтернативный текущий путь. В целом рекомендуется, чтобы все поверхности быть как можно более сухой, обратить особое внимание на тонких пленок, которые могут образовывать между судами и изоляционных плит. Если искрение происходит власть прерывания и уменьшить значение напряжения затем снова включите питание как устойчивый дуги приведет в "обугливания" пострадавших районов, которые могут привести к ухудшению стабильности моста или предотвращения моста зажигание все вместе. Если питание подается на систему выше порогового напряжения и не форм мостовых изолированный стеклянный стержень может быть использован, чтобы нарисовать жидкость вверх к гое контактные точки (например, стеклянную мензурку Изливы) между двумя судами. Если система продолжает вести себя в нестабильной моды чистить оборудование и начать все заново с свежей жидкостью. В противном случае, рекомендуется провести инвентаризацию окрестностях как крупных металлических предметов, материалов, которые поддерживают статический заряд, или сильные воздушные потоки могут нарушить мост и / или электрическое поле, которое поддерживает его.
Экспериментальная система легко изменены, чтобы соответствовать материалы, обычно доступные в большинстве лабораторий. Жидкие контейнеры могут быть от почти любого совместимого материала и особое внимание должно быть обращено на воспламеняемость контейнера или жидкой фазы в случае электрической дуги; например тефлон будет генерировать опасные газы при сжигании. Форма электродов, размещение, и материал также может быть изменен в соответствии с ограничениям данного настройке. Как правило, плоские электроды, изготовленные из фольги используются, но проволоки также может быть использован до тех пор, действующих принципов плотности принимаются во внимание. Приложенное электрическое поле может быть чистым DC, чистый AC или DC предвзятым AC. Все будет производить жидкие мостики внутри зависимой Частотный диапазон диапазон для жидкостей, описанных в литературе по электросмачивания на диэлектрической (EWOD) и диэлектрофореза (DEP) 9, которые определяют диапазон частот ответ от 20 Гц и до 20 кГц при умеренных напряжениях. Более высокие диапазоны частот также может генерировать мосты хотя они не были явно испытания и некоторые работники сообщили нижний предел для переменного тока вертикальных перемычек на 50 Гц 42. Ориентация тяжести также легко модифицировать, пока система может быть разработана, чтобы обеспечить свободные поверхности жидкости, которые являются стабильными без приложенного электрического поля. Эксперименты были проведены в отсутствие силы тяжести 41, который показал, что эти мосты имеют зависимость от стабилизирующего влияния силы тяжести, которая поддерживает хрупкий баланс сил в жидком моста.
ЛОР "> EHD жидкие мостики новый инструмент, который может быть добавлен в репертуар многих приложений естественнонаучных. Они позволяют исследование взаимодействия объемных и поверхностных сил с извне электрического поля. Они открывают возможность изучить новые средства смешивания различных жидкостей 37; изменения кинетики химических реакций 52; протонный транспорт 44,45 и изучения реакции биологических систем в таких условиях 53 Кроме того, эти мосты обеспечивают прямой доступ к поверхности жидкости без каких-либо физически объединительной структуры, которые уже получены новые. спектроскопические информация о динамике в жидкой воде 28 и намекает не только на существование электрически управляемой государственной выключателя в результате чего новые объемные свойства появляются 31, но при потенциале для изучения жидких жидкости фазовые переходы 54 по совершенно новому методу. Широкое промышленное применение ЭГД процессов (например, </eм>, электропрядения 26, и электрораспылительной 32,33 методы) наверняка могут извлечь выгоду из дальнейшего изучения этих тесно союзнических явлений.The authors have nothing to disclose.
Эта работа была выполнена в рамках TTIW-сотрудничества Wetsus, центра передового опыта в целях устойчивого технологии воды (www.wetsus.nl). Wetsus финансируется голландской Министерства экономики, Европейский союз фонд регионального развития, провинция Fryslân, город Леуварден и программа EZ / Компас из "Samenwerkingsverband Северная Nederland". Авторы хотели бы поблагодарить участников исследовательской темы «Прикладная Вода физики" для плодотворных дискуссий и их финансовую поддержку.
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 |