WikiDer > Электрокинетика с индуцированным зарядом - Википедия

Induced-charge electrokinetics - Wikipedia
визуализирована картина электрокинетического потока наведенного заряда вокруг сферы из углеродистой стали (диаметр = 1,2 мм). Показаны четыре индуцированных вихря с использованием флуоресцентных частиц диаметром 1,90 мкм. Электрическое поле постоянного тока приложено слева направо и равно 40 В / см. Пунктирная линия представляет границу частицы. Изображение получено микроскопом TE2000-E Nikon при t = 2 с.[1]

Электрокинетика с индуцированным зарядом в физика это электрически ведомый поток жидкости и частица движение в жидкости электролит.[2] Рассмотрим металлическую частицу (которая нейтрально заряжена, но электрически проводящая), контактирующая с водным раствором в камере / канале. Если разные напряжения применить к концу этой камеры / канала, электрическое поле будет генерироваться в этой камере / канале. Это приложенное электрическое поле проходит через эту металлическую частицу и заставляет свободные заряды внутри частицы мигрировать под кожу частицы. В результате этой миграции отрицательные заряды перемещаются в сторону, близкую к положительному (или более высокому) напряжению, в то время как положительные заряды перемещаются на противоположную сторону частицы. Эти заряды под кожей проводящей частицы притягивают противоионы водного раствора; Таким образом электрический двойной слой (EDL) образуется вокруг частицы. Значение EDL на поверхности проводящей частицы изменяется с положительного на отрицательное, а распределение зарядов изменяется в зависимости от геометрии частицы. Из-за этих вариаций EDL неоднороден и имеет разные значения. Таким образом, индуцированная дзета-потенциал вокруг частицы и, следовательно, скорость скольжения на поверхности частицы изменяются в зависимости от локального электрического поля. Различия в величине и направлении скорости скольжения на поверхности проводящей частицы влияют на структуру потока вокруг этой частицы и вызывают микровихри. Ясаман Дагхиги и Дунцин Ли впервые экспериментально проиллюстрировали эти индуцированные вихри вокруг сферы из углеродистой стали диаметром 1,2 мм под внешним электрическим полем постоянного тока 40 В / см.[1]Chenhui Peng et al.[3] также экспериментально показали закономерности электроосмотический обтекать сферу Au при включении переменного тока (E = 10 мВ / мкм, f = 1 кГц).Электрокинетика здесь имеется в виду отрасль науки, связанная с движением и реакцией заряженных частиц на приложенное электрическое поле и его воздействием на окружающую среду. Иногда это также называют нелинейным электрокинетическим явлением.[нужна цитата]

История

Левич - один из пионеров в области электрокинетического поля наведенного заряда.[2] Он рассчитал профиль возмущенного скольжения вокруг проводящей частицы, контактирующей с электролитом. Он также теоретически предсказал, что вокруг этой частицы возникают вихри при приложении электрического поля.

Наведенные вихри вокруг проводящей частицы

Размер и сила индуцированных вихрей вокруг проводящей частицы имеют прямую зависимость от приложенного электрического поля, а также от размера проводимой поверхности. Это явление экспериментально и численно доказано несколькими исследованиями,[4][5][6][7] Вихри растут по мере увеличения внешнего электрического поля и создают «провал». [1] в центре каждого вихря, при этом жидкость циркулирует быстрее. Показано, что увеличение размера проводящей поверхности приводит к увеличению индуцированных вихрей до такой степени, что геометрия не ограничивает их рост.

Приложения

Индуцированные вихри имеют множество приложений в различных аспектах электрокинетический микрофлюидика. Существует множество микромиксеров, которые спроектированы и изготовлены на основе существования индуцированных ими вихрей в микрофлюидика устройств. Такие микромиксеры, которые используются в биохимии, медицине и биологии, не имеют механических частей и используют только проводящие поверхности для создания индуцированных вихрей для смешивания различных потоков жидкости.[8][9][10][11][12]

Это явление даже используется для улавливания микронных и субмикронных частиц, плавающих в потоке внутри микроканала. Этот метод можно использовать для манипулирования, обнаружения, обработки и концентрации клеток и вирусов в биомедицинской области; или для сборки коллоидных частиц.

Вдобавок индуцированные вихри вокруг проводящих поверхностей в микрофлюидной системе могут использоваться в качестве микроклапана, микропривода, микромотора и микромотора для управления направлением и манипуляциями.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Дагхиги, Ясаман; Шинн, Ирэн; Копельман, Рауль; Ли, Дунцин (2013). «Экспериментальное подтверждение электрокинетического движения индуцированных зарядов электропроводящих частиц». Electrochimica Acta. 87: 270–276. Дои:10.1016 / j.electacta.2012.09.021. ISSN 0013-4686.
  2. ^ а б Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, Прентис-Холл, (1962)
  3. ^ Ч. Пэн, И. Лазо, С. В. Шияновский, О. Д. Лаврентович, Электроосмос с индуцированным зарядом вокруг металла и сфер Януса в воде: закономерности течения и нарушение симметрии, препринт arXiv arXiv:1411.1478, (2014)
  4. ^ Гамаюнов Н. И., Мантров Г. И., Мурцовкин В. А. Исследование потоков, индуцированных внешним электрическим полем в окрестности проводящих частиц, Коллоид. Ж., 54, (1992) 26-30.
  5. ^ Духин А.С. Биоспецифический механизм образования двойного слоя и особенности электрофореза клеток // Colloids Surf. Physicochem. Англ. Аспекты, 73, (1993) 29-48.
  6. ^ Электрокинетика и электрогидродинамика в микросистемах Курсы и лекции по CISM Том 530, 2011 г., стр. 221-297 Электрокинетические явления с индуцированным зарядом Мартин З. Базант
  7. ^ Ю. Дагиги, Ю. Гао и Д. Ли, Трехмерное численное исследование электрокинетического движения гетерогенной частицы, Electrochimica Acta, 56 (11), (2011) 4254-4262
  8. ^ М. Кампизи, Д. Аккото, Ф. Дамиани и П. Дарио, Хаотический электрокинетический микромиксер с мягкой литографией для эффективных химических реакций в лаборатории на кристалле, J. of Micro-Nano Mechatronics, 5, (2009) 69-76
  9. ^ А. Д. Строок, С. К. В. Дертингер, А. Аждари, И. Мезич, Х. А. Стоун и Г. М. Уайтсайдс, "Хаотический смеситель для микроканалов", Science, 295, (2002) 647-651
  10. ^ Ю. Дагиги, Д. Ли, Новая конструкция электрокинетического микромиксера с индуцированным зарядом, Analytica Chimica Acta, 763 (2013) 28–37
  11. ^ CK Harnett, J. Templeton, KA Dunphy-Guzman, YM Senousy и MP Kanouff, Конструкция микрожидкостного смесителя, основанная на модели, управляемая электроосмосом с индуцированным зарядом, Lab on a Chip - Miniaturization for Chemistry and Biology, 8 (2008) pp. 565- 572
  12. ^ М. Джайн, А. Йунг и К. Нандакумар, Электроосмотический смеситель с индуцированным зарядом: оптимизация формы препятствий, Biomicrofluidics, 3 (2009)