Pontes líquidas eletro horizontais e verticais são ferramentas simples e poderosas para explorar a interação de campos elétricos de alta intensidade e líquidos dielétricos polares. A construção de um aparelho de base e os exemplos operacionais, incluindo imagens, termografia para líquidos (por exemplo três, água, DMSO e glicerol) são apresentados.
Pontes horizontais e verticais líquido são ferramentas simples e poderosas para explorar a interação de campos elétricos de alta intensidade (8-20 kV / cm) e líquidos dielétricos polares. Estas pontes são únicos a partir de capilares de pontes em que eles apresentam capacidade de extensão para além de alguns milímetros, têm padrões de transferência de massa bidireccionais complexos, e não emitem radiação infravermelha de Planck. Um número de solventes comuns podem formar tais pontes, assim como soluções de baixa condutividade e suspensões coloidais. O comportamento macroscópica é governada por electro e fornece um meio para estudar os fenómenos de fluxo de fluido, sem a presença de paredes rígidas. Antes do início de uma ponte de vários fenómenos importantes de líquido pode ser observado, incluindo o avanço altura menisco (eletroumectação), a circulação do fluido em massa (o efeito Sumoto), e a ejecção de gotículas carregadas (electrospray). A interação entre a superfície, polarização, e as forças de deslocamento pode ser diretamente analisados porvariando a tensão aplicada e o comprimento da ponte. O campo elétrico, auxiliado pela gravidade, estabiliza a ponte líquida contra instabilidades Rayleigh-Plateau. Construção de aparelho de base para ambos orientação vertical e horizontal, juntamente com exemplos operacionais, incluindo imagens termográficas, por três líquidos (por exemplo, água, DMSO e glicerol) são apresentados.
A interação entre os campos elétricos e resultados de matéria líquidos em uma série de forças evolutivas dentro da massa material. Em sistemas reais de dieléctrico líquido, os gradientes de campo não negligenciáveis e simetria quebrar geometrias resultar num certo número de efeitos aparentemente peculiares. Hertz foi um dos primeiros a notar o movimento de rotação nos sistemas de dieléctrico sólido-líquido 1. Quincke observado que a tensão interfacial entre dois líquidos não só foi alterado por aplicação de um campo eléctrico externo, mas que esta alteração resultou no esforço de forças sobre o corpo de fluido e pode ser utilizado para induzir movimento de rotação 2. Armstrong descobriu a ponte flutuante água em 1893 3, que permaneceu um truque de festa enigmático até recentemente, quando Fuchs e colegas de trabalho explorado massa e carga mecânica de transporte de 4,5 e reaberto séria investigação científica sobre os mecanismos pelos quais essas pontes formam. Os campos elétricos têm a ability para levantar líquidos contra a força da gravidade como o trabalho de Pellat em aumento líquido dielétrico entre os eletrodos de placas paralelas mostra 6. Esta ação levantamento mostra uma dependência de frequência e, finalmente, pode ser descrita através do tensor de tensão de Maxwell 7. Isso é importante quando se considera o aumento do nível do líquido associado com eletro (DHE) pontes de líquidos que, em condições de AC mostram uma dependência de frequência 8 semelhante ao Electrowetting em dielétrica (EWOD) e dieletroforética (DEP) de fluxo de massa 9. Além disso, a aplicação de campos eléctricos elevados potenciais é importante no controlo de jacto de líquido de dissolução e da interacção do campo eléctrico com líquidos é essencial para a compreensão do processo industrialmente importante de atomização electropulverização 10,11.
Um campo elétrico externo não só influenciam a energia de superfície. Devido à ação de polarização e tensão de cisalhamento, os padrões de fluxo podeser estabelecida. Um exemplo, é a circulação de líquidos na presença de campos eléctricos não homogéneos. Nisto correntes electroconvective estão estabelecidos no granéis líquidos impulsionada por tensões de cisalhamento. Sumoto demonstrado que um motor de fluido pode ser construído usando um rotor de vidro contendo quer um líquido polar ou uma haste de metal imerso em um banho de dieléctrico não polar e colocado dentro de um campo eléctrico não homogéneo 12. Posterior análise por Okano utilizada uma aproximação campo homogéneo 13 para resolver o problema de rotação, que só poderia corresponder qualitativamente os resultados experimentais e os líquidos dieléctricos necessário para responder como uma massa singular. Outros pesquisadores sobre o assunto perdido completamente o ponto como eles erroneamente relatado e explorou o efeito Sumoto como um nível de líquido subir 14-16, em resposta ao trabalho de campo elétrico pioneiro Pellat 17. A importância da superfície de simetria para romper o processo de localização de carga e de corte gerada stress 18 é essencial para compreender a pesquisa em pontes EHD líquidos. O tratado de Melcher em eletromecânica contínuos 19 fornece uma base teórica completa para o tratamento de granéis líquidos e simplifica superfícies livres dentro do limite homogêneo isotrópico. A importância da superfície é no entanto claro, mesmo do ponto de vista contínuo como a perda de resultados de simetria em tensão de cisalhamento que podem gerar grandes quantidades de circulação. Recolhido o caso geral de discretos volumes fluidos móveis, que podem ser polarizadas e estão sujeitos à força de reação resultante sobre abordagem para a superfície, a interação campo eléctrico pode ser substituído em ambas as equações de Navier-Stokes 20 e Bernoulli 7,21,22 relações para descrever a multiplicidade de fenômenos de fluxo EHD incluindo pontes líquidas. Um estudo mais aprofundado de pontes líquidas pode melhorar uma série de tecnologias EHD base, como jato de tinta de impressão 23-25, micro-e nano-materiais de processamento de 26-28, distribuição de medicamentos 29, 30, aplicações biomédicas 31,32 e 33 de dessalinização.
Os métodos descritos aqui proporcionam acesso para a formação de pontes EHD líquidos que são encontrados em líquidos polares cujas moléculas possuem um momento dipolar permanente. Os impostos não homogêneas de campo elétrico resulta em uma polarização parcial da população dipolo produzindo uma alteração local da permissividade dielétrica, assim, reforçando ainda mais a gradientes de campo 18,34,35. Esta polarização dá origem a uma força de deslocamento que, dependendo da intensidade relativa do campo aplicado irá gerar uma série de respostas diferentes líquidos (ver Figuras 4-7), eventualmente, resultando na formação de uma ponte. O líquido também irão desenvolver um fluxo de Taylor 22,36 ao longo das superfícies dos eléctrodos, especialmente nos casos em que existe uma aresta viva presente nos eléctrodos. A possibilidade de injectar a carga arestas vivas também existe e é consistente com oformação de camadas que geram correntes heterocharge electroconvective na massa de líquido 22 que ligam, portanto, o sistema de ponte de líquido com o efeito Sumoto 12. Os que regem as relações EHD para pontes são amplamente cobertas em outro lugar para água e outros líquidos polares 22,36-38. Estas abordagens teóricas sofrer certas limitações que devem ser consideradas quando se aproxima dos dados experimentais. O Maxwell estresse tratamento tensor 36 é insensível a heterogeneidades campo, bem como não-uniformidades na ponte líquido. A abordagem DHE pura 37 fornece definições de estado estacionário do número electrogravitational e sua relação com a relação de aspecto da ponte; No entanto, a dinâmica de fluxo e fenômenos transitórios importante (por exemplo, a criação de ponte) não são previstos. Três números adimensionais são úteis quando se analisa a estabilidade da ponte e são derivados aqui como publicado anteriormente por Marín & Lohse 37 </saté>. O número electrocapillary (Ca E) é o que é definido como a relação entre as forças eléctricas e capilares:
onde ε 0 é a permissividade do vácuo, ε r a permissividade dieléctrica relativa do líquido, e t é o campo eléctrico através da ponte, γ é a tensão superficial, d e s d L são as projecções verticais e horizontais do diâmetro de modo para se obter o diâmetro médio D m. O número Bond (Bo) descreve o equilíbrio entre a gravidade e as forças capilares:
em que g é a aceleração gravitacional, l é o comprimento da ponte livre, e V é o volume da ponte. A relação entregravitacional, capilar e forças eléctricas podem ser expressos em termos de número electrogravitational G E:
A extensibilidade máxima de uma ponte está relacionada com a tensão aplicada, enquanto que a corrente que flui através da ponte está relacionada com a área da secção transversal e, portanto, o diâmetro. Estas relações são acoplados, determinar o volume de ponte, e, portanto, definir a região de estabilidade para qualquer dado ponte líquido operacional. As curvas características de uma ponte de água estão apresentados na Figura 3, que mostra um limiar inferior, abaixo dos quais o campo aplicado é demasiado fraco para ultrapassar as forças de tensão superficial e um limite superior, acima do qual a massa da ponte é demasiado grande, resultando em mais de vazamento que perturba o campo e resulta em ruptura de ponte.
O tratamento mais geralmento de pontes líquidas em solventes polares 19,22 fornece os termos de pressão operacionais combinados com a ponte de prever as forças que regem a dinâmica de fluxo, no contexto de uma equação de Bernoulli modificada com termos de deslocamento eléctricos acrescentados ao termo de pressão. Além disso, a relação de Onsager para a estabilidade de íons 24 é constituída de acordo com as observações experimentais sobre o equilíbrio de bombeamento direção e emissão térmica.
Um certo número de líquidos polares foram explorados, incluindo a água, os álcoois alifáticos inferiores (por exemplo, metanol), poli-álcoois (por exemplo, glicerol), dimetilsulfóxido (DMSO), e outros compostos orgânicos polares (por exemplo, dimetilformamida). Dielétricos líquidos não-polares (por exemplo, hexano) não apresentam a formação de ponte. Os líquidos dielétricos capazes de suportar pontes até agora estudados 8,22,37 mentira dentro de um grupo bem-definido de parâmetros físicos que estabelecem um bom ponto de partida for experimentação posterior: EM de baixa condutividade (σ <5 mS / cm), a permissividade relativa estática moderada (ε = 20-80), moderada a elevada tensão superficial (γ = 21-72 mN / m). Curiosamente uma ampla gama de viscosidades (η = 0,3-987 mPa · s) de trabalho em tais pontes. Em líquidos com viscosidade suficientemente elevada como o glicerol é possível puxar uma ponte diretamente do granel líquido (ver Figura 5) e é um elo importante entre as forças dielectrof oréticas e pontes líquidas. Soluções iónicos (por exemplo, NaCl (aq)) são altamente prejudiciais para a formação de uma ponte e em estudos anteriores 40 ter sido demonstrado que o aumento da temperatura da ponte, diminuir a proporção de comprimento para tensão aplicada, e para reduzir a extensibilidade. Este comportamento é largamente atribuída ao efeito de blindagem carga dos iões dissolvidos, bem como aumento da condução de corrente que reduz o acoplamento entre os elementos de volume de fluido e do campo eléctrico.
<p class = "jove_content"> Sobre os fenômenos EHD nível contínuo surgem simplesmente porque os termos de pressão necessárias que acompanham electrostriction são encontrados somente na interface líquido 21. Além disso, existe uma relação entre a estabilidade de EHD pontes líquidas e a estabilidade das interfaces do sistema. No caso de redução de experimentos de gravidade 41 os resultados de expansão de área de superfície em uma força que rasga a ponte distante. Da mesma forma, se a superfície é muito confinado ou a área de contato subtending pequena ponte provavelmente irá desenvolver instabilidades. Isto pode ser ilustrado em pontes, que são alimentados por tubo, ou, no caso de pontes verticais onde um eléctrodo é puxado para cima a partir da superfície – as pontes resultantes são menos estáveis em operação a longo prazo, dado que não possuem a dinâmica do escoamento característicos encontrados na situação em que ambos os reservatórios têm uma grande área de superfície livre. Pontes cujas conexões com o reservatório de fluido estão confinados dentro de tubulação mostram iacumulação térmica destaca o incremento e queda da tensão superficial. É típico que a interface de ar vai formar-se espontaneamente no interior do tubo. Que esta condição limita a extensibilidade máxima ambos, bem como o tempo médio de vida da ponte de pontes líquidas confinados. Abertas pontes água na superfície pode ser prolongado até 35 mm de comprimento a 35 kV ao passo que nenhuma ponte se mantenha em tal uma voltagem de aceleração de confinamento como o líquido de preferência a transição para um modo de electrospray. Da mesma forma pontes de água de superfície livre têm vida útil de estabilidade que se aproximam de 10 horas, sob condições controladas, enquanto que em sistemas de tubos alimentou a vida é normalmente inferior a 2 horas.Fenómenos EHD são tipicamente considerados apenas ao nível contínuo. Um número limitado de estudos sobre a base molecular de pontes líquidas foram realizados. Um estudo de Raman utilizando 42 pontes AC verticais investigada a banda OH-alongamento inter-molecular em comparação com a água a granel. Algumas mudanças na scattering perfis após a aplicação do campo elétrico são mostrados para ter uma origem estrutural. Utilizando espectroscopia de sonda bomba infravermelho médio ultra em uma ponte flutuante de água 43 o tempo de vida vibracional do alongamento OH de vibração de moléculas HDO contido numa HDO: D 2 O ponte de água foi encontrada para ser mais curto (630 ± 50 FSEC) do que para as moléculas de HDO em grandes quantidades HDO: D 2 O (740 ± 40 FSEC), enquanto que em contraste, a dinâmica termalização seguintes o relaxamento vibracional são muito mais lento (1,500 ± 400 FSEC) do que em grandes quantidades HDO: D 2 O (250 ± 90 FSEC). Estas diferenças na dinâmica de relaxamento energia indicam fortemente que a ponte de água e água bruta diferem em escala molecular. Além disso, a investigação sobre a emissão de infravermelhos de uma ponte flutuante de água revelou uma característica não-térmico, que pode ser devido a uma transição de um estado animado para o estado fundamental de uma banda de condução de protões 44. Outra mais recente estudo Reporte Ramand em que a água preenche DC existe uma distribuição radial nos espectros o que é indicativo da diferença relativa no local do pH entre o núcleo e invólucro exterior da ponte 45. A distribuição radial das características físicas dentro de pontes líquidas EHD é ainda apoiada por experiências de dispersão de UV não elástico 46 que dá distribuições radiais contraditórias nos perfis de temperatura e de densidade e pode ser explicado quer por um gradiente em graus de liberdade moleculares ou a presença de uma fase secundária como bolhas de nano. O conceito mais tarde não é suportado por um pequeno ângulo de raios-X estudo de dispersão 47, enquanto o conceito de rotação impedida (ou seja libração) é suportado a partir de espectros de emissão de infravermelho 44. A direção do fluxo preferencial em EHD pontes líquidas decorre de mudanças na cinética auto-dissociação. De acordo com o trabalho de Onsager esta descoberta é promissora para conectar fenômenos nível molecular e do contínuo <sup> 22. Outra evidência para uma base molecular para fenómenos DHE é encontrado na observação de que a emissão de energia térmica a partir de uma gotícula dieléctrica diminui localmente em resposta ao aumento do campo eléctrico e atinge um valor mínimo apenas antes do início de uma ponte (ver Figura 7).
Pontes líquidas DHE apresentar uma oportunidade de examinar a interação entre as forças em múltiplas escalas de comprimento e é o objetivo específico deste trabalho para fornecer um método padronizado para a produção destes tipos de pontes em vários líquidos com qualquer orientação em relação à gravidade que suporta o surgimento de todo o conjunto de fenômenos característicos discutido anteriormente.
A formação bem sucedida de pontes líquidas DHE estável e robusto exige que seja prestada atenção a certos detalhes simples, mas importante. É essencial que a condutividade iónica das soluções de ser tão baixa quanto prático (por exemplo, 1-5 mS / cm). Esteja ciente de que a contaminação da água pode resultar em aumento da condutividade para certos líquidos polares (por exemplo, glicerol). Lave todos os vidros bem prestando atenção à lavagem cuidadosa, use apenas copos livres de contaminação de superfície ou de arco induzida marcas de queimaduras. Em geral, é uma boa prática de usar luvas ao manusear qualquer equipamento para evitar a oleosidade da pele e sais de contaminar o experimento. Eletrodos devem ser ultra-sons durante vários minutos no solvente em estudo e recomenda-se que estes são "-in queimado" pela execução de uma ponte de unextended por 30-45 min em valores correntes elevadas (por exemplo, 3-5 mA) para reduzir eletrodo secundário reações. A pureza elevada (por exemplo,> 99,9%metais nobres) funcionam melhor como materiais de eléctrodos e deve ter suficiente área de superfície de modo a manter baixas densidades de corrente da ordem de 10 A / m, de modo a reduzir o aquecimento local.
No caso de pontes que têm fraca estabilidade ou são difíceis de iniciar é recomendada para confirmar primeira condutividade é ~ 1 mS / cm, e que não há piscinas estranhos de líquido que pode permitir que um percurso de corrente alternada. Em geral, recomenda-se que todas as superfícies ser o mais seco possível, preste atenção a filmes finos que podem formar entre vasos e placas isolantes. Se arco ocorre interrupção de energia e reduzir o valor da tensão reaplique poder como arco sustentado resultará na "carbonização" das áreas afetadas que pode reduzir a estabilidade da ponte ou evitar a ignição ponte todos juntos. Se a energia é aplicada ao sistema acima da tensão de limiar e nenhuma forma de ponte uma vareta de vidro de isolamento pode ser utilizado para retirar o líquido para cima na direcção the pontos de contacto (por exemplo, bicos taça) entre as duas embarcações. Se o sistema continua a comportar-se de forma instável limpar o equipamento e começar de novo com o líquido fresco. Caso contrário, recomenda-se fazer o inventário do ambiente como grandes objetos de metal, materiais que suportam a carga estática, ou fortes correntes de ar pode atrapalhar a ponte e / ou o campo elétrico que suporta.
O sistema experimental é facilmente modificado para atender os materiais normalmente disponíveis na maioria dos laboratórios. Recipientes com líquidos pode ser de quase qualquer material compatível e especial atenção deve ser dada à inflamabilidade do recipiente ou fase líquida em caso de arco elétrico; por exemplo Teflon irá gerar gases perigosos quando queimado. Eletrodo forma, posicionamento e material também pode ser alterado para se adequar às restrições de um determinado set-up. Tipicamente, os eléctrodos fabricados a partir de tiras planas são utilizados, mas também do fio pode ser utilizado, desde que as orientações da densidade da corrente são levados em consideração. O campo eléctrico pode ser aplicado puro DC, AC puro, ou DC tendenciosa AC. Todos irá produzir pontes de líquido dentro da gama de resposta dependente de frequência para líquidos descritos na literatura sobre eletroumectação em dieléctrico (EWOD) e dieletroforese (DEP) 9, que definem uma gama de frequências de resposta entre 20 Hz e 20 kHz para tensões moderadas. Faixas de freqüências mais altas também podem gerar pontes embora estes não tenham sido explicitamente testado e alguns trabalhadores relataram o limite inferior para pontes verticais AC para ser 50 Hz 42. Orientação a gravidade também pode ser facilmente modificado, enquanto que um sistema pode ser concebido para proporcionar superfícies de líquidos livres, que são estáveis, sem um campo eléctrico aplicado. As experiências foram realizadas na ausência de gravidade 41, que mostraram que estas pontes têm uma dependência em relação ao efeito estabilizador da gravidade, que mantém o equilíbrio delicado de forças em uma ponte de líquido.
Ent. "> pontes líquidas DHE são uma nova ferramenta que pode ser adicionada ao repertório de muitas aplicações de ciências naturais Eles permitem a exploração da interação de forças em massa e de superfície com campos elétricos aplicados externamente. Eles abrem a oportunidade de examinar os novos meios de mistura de diferentes líquidos 37; mudando a cinética de reações químicas 52, o transporte de prótons 44,45, e examinar a resposta de sistemas biológicos para estas condições 53 Além dessas pontes permitem o acesso direto para a superfície do líquido, sem quaisquer estruturas subtendo fisicamente que já produziu novo. informação espectroscópica na dinâmica em água líquida 28 e sugere não só a existência de um interruptor de estado electricamente controlada pela qual emergem novas propriedades a granel 31, mas com o potencial para examinar as transições de fase líquido-líquido 54 por meio de um método inteiramente novo. industrial A aplicação generalizada EHD de processos (por exemplo, </em>, eletrofiação 26, e electrospray 32,33 métodos) certamente pode se beneficiar do estudo mais aprofundado desses fenômenos intimamente aliadas.The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi realizado no âmbito TTIW-cooperação de Wetsus, centro de excelência em tecnologia sustentável da água (www.wetsus.nl). Wetsus é financiado pelo Ministério da Economia, o Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional da União, a província de Frísia, a cidade de Leeuwarden eo programa EZ / Compasso da 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "holandês. Os autores agradecem aos participantes do tema de pesquisa "Física Aplicada da Água" para as discussões frutíferas e seu apoio financeiro.
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 |