Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электросмачивание - это изменение смачивающих свойств поверхности (которая обычно является гидрофобной ) с помощью приложенного электрического поля .

История [ править ]

Электросмачивание ртути и других жидкостей на переменно заряженных поверхностях, вероятно, было впервые объяснено Габриэлем Липпманом в 1875 году [1] и, безусловно, наблюдалось гораздо раньше. А. Н. Фрумкин использовал поверхностный заряд для изменения формы капель воды в 1936 году. [2] Термин электросмачивание был впервые введен в 1981 г. Г. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа устройства отображения, для которого они получил патент. [3]Использование «жидкостного транзистора» в микрожидкостных схемах для управления химическими и биологическими жидкостями было впервые исследовано Дж. Брауном в 1980 году, а затем профинансировано в 1984–1988 годах грантами NSF 8760730 и 8822197 [4] с использованием изолирующего диэлектрического и гидрофобного слоя ( s) (EWOD), несмешивающиеся жидкости, постоянный или высокочастотный ток; массивы миниатюрных электродов с чередованием (зубьев пилы) с большими или подходящими электродами из оксида индия и олова (ITO) для цифрового перемещения нанокапель по линейным, круговым и направленным траекториям, перекачивания или смешивания жидкостей, заполнения резервуаров и электронного или оптического управления потоком жидкости. Позже, в сотрудничестве с Дж. Сильвером из NIH, электросмачивание на основе EWOD было раскрыто для одиночных и несмешивающихся жидкостей для перемещения, разделения, удержания и герметизации массивов цифровых подобразцов ПЦР.[5]

Электросмачивание с использованием изолирующего слоя поверх голого электрода было позже изучено Бруно Берге в 1993 году. [6] Электросмачивание на этой покрытой диэлектриком поверхности называется электросмачиванием на диэлектрике (EWOD) [7], чтобы отличить его от обычного электросмачивания. на неизолированном электроде. Электросмачивание можно продемонстрировать, заменив металлический электрод в системе EWOD на полупроводник . [8] [9] электросмачивания также наблюдается , когда обратное смещение применяется к проводящей капле (например , ртуть) , который был помещен непосредственно на поверхность полупроводника (например , кремний) , чтобы сформировать контакт Шоттки в диоде Шотткиконфигурация электрической цепи - этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки». [10]

Микрожидкостные манипуляции с жидкостями с помощью электросмачивания были продемонстрированы сначала с каплями ртути в воде [11], а затем с водой в воздухе [7] и водой в масле. [12] Манипуляция каплями на двумерной траектории была продемонстрирована позже. [13] [14] Если жидкость дискретизируется и управляется программно, подход называется «Цифровые микрофлюидные схемы» [15] [16] или «Цифровая микрофлюидика». [17] Дискретность посредством электросмачивания диэлектрика (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Мун и Ким. [18]

Теория электросмачивания [ править ]

Жидкость, изолятор, субстрат

Электросмачивания эффект был определен как «изменение твердофазного электролита угла контакта за счетом приложенной разности потенциалов между твердым и электролитом». Явление электросмачивания можно понять с точки зрения сил, возникающих в результате приложенного электрического поля. [19] [20] Окрашивающее поле в углах капли электролита имеет тенденцию тянуть каплю вниз на электрод, уменьшая макроскопический угол контакта и увеличивая площадь контакта капли. В качестве альтернативы электросмачивание можно рассматривать с термодинамической точки зрения. Поскольку поверхностное натяжение границы раздела определяется как свободная энергия Гельмгольцатребуется для создания определенной области этой поверхности, она содержит как химические, так и электрические компоненты, и заряд становится важным членом в этом уравнении. Химический компонент - это просто естественное поверхностное натяжение границы раздела твердое тело / электролит без электрического поля. Электрический компонент - это энергия, запасенная в конденсаторе, образованном между проводником и электролитом.

Самый простой вывод о поведении электросмачивания дается при рассмотрении его термодинамической модели. Хотя можно получить подробную численную модель электросмачивания, учитывая точную форму электрического поля окантовки и то, как она влияет на локальную кривизну капли, такие решения сложны с математической и вычислительной точек зрения. Термодинамический вывод происходит следующим образом. Определение соответствующих поверхностных натяжений как:

- Общее электрическое и химическое поверхностное натяжение между электролитом и проводником.
- Поверхностное натяжение между электролитом и проводником при нулевом электрическом поле
- Поверхностное натяжение между проводником и внешней средой
- Поверхностное натяжение между электролитом и внешней средой
- Макроскопический контактный угол между электролитом и диэлектриком.
- Емкость границы раздела, r є 0 / t, для однородного диэлектрика толщиной t и диэлектрической проницаемостью є r
- Действующее приложенное напряжение, интеграл электрического поля от электролита к проводнику

Связь общего поверхностного натяжения с его химическими и электрическими компонентами дает:

Угол контакта задается уравнением Янга-Дюпре, с единственным осложнением в том , что полная энергия поверхности используется:

Объединение двух уравнений дает зависимость θ от эффективного приложенного напряжения как:

Дополнительная сложность заключается в том, что жидкости также демонстрируют явление насыщения: после определенного напряжения, напряжения насыщения, дальнейшее увеличение напряжения не изменит угол контакта, а при экстремальных напряжениях интерфейс будет демонстрировать только нестабильность.

Однако поверхностный заряд - это всего лишь один компонент поверхностной энергии, а другие компоненты, безусловно, возмущаются индуцированным зарядом. Итак, полное объяснение электросмачивания не определено количественно, но не следует удивляться, что эти ограничения существуют.

Недавно это было показано Кларманом и др. [21], что насыщение краевого угла можно объяснить как универсальный эффект, независимо от используемых материалов, если электросмачивание наблюдается как глобальное явление, на которое влияет детальная геометрия системы. В рамках этой схемы предполагается, что обратное электросмачивание также возможно (угол смачивания растет с увеличением напряжения).

Шевалоитт [22] также экспериментально показал, что насыщение краевого угла инвариантно ко всем параметрам материалов, таким образом показывая, что при использовании хороших материалов большинство теорий насыщения неверны. В этой же статье также предполагается, что источником насыщения может быть электрогидродинамическая нестабильность - теория, которая не доказана, но также предлагается несколькими другими группами.

Обратное электросмачивание [ править ]

Обратное электросмачивание [23] можно использовать для сбора энергии по схеме преобразования механики в электротехнику.

Электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью (EWOLF) [ править ]

Другая конфигурация электросмачивания - это электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью.. Пленка, наполненная жидкостью, достигается за счет фиксации жидкой смазки в пористой мембране за счет тонкого управления смачивающими свойствами жидкой и твердой фаз. Воспользовавшись преимуществом незначительного закрепления контактной линии на границе раздела жидкость-жидкость, отклик капель в EWOLF может быть решен электрически с повышенной степенью переключаемости и обратимости по сравнению с обычным EWOD. Кроме того, проникновение жидкой смазочной фазы в пористую мембрану также эффективно увеличивает рассеяние вязкой энергии, подавляя колебания капли и приводя к быстрому отклику без ущерба для желаемой обратимости электросмачивания. Между тем, демпфирующий эффект, связанный с EWOLF, можно регулировать, изменяя вязкость и толщину жидкой смазки. [24]

Опто- и фотоэлектросмачивание [ править ]

Optoelectrowetting , [25] [26] и photoelectrowetting [27] являются оптически индуцированных электросмачивания эффектов. Оптоэлектросмачивание включает использование фотопроводника, тогда как фотоэлектросмачивание использует фотоемкость и может наблюдаться, если проводник в стопке жидкость / изолятор / проводник, используемой для электросмачивания, заменен полупроводником . Путем оптической модуляции количества носителей в области пространственного заряда полупроводника можно непрерывно изменять угол смачивания жидкой капли. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липпмана.

Материалы [ править ]

По причинам, которые все еще исследуются, только ограниченный набор поверхностей демонстрирует теоретически предсказанные свойства электросмачивания. Из-за этого используются альтернативные материалы, которые можно использовать для покрытия и придания функциональности поверхности, чтобы создать ожидаемое поведение при смачивании. Например, аморфные фторполимеры являются широко используемыми материалами для покрытия, наносимыми электросмачиванием, и было обнаружено, что поведение этих фторполимеров может быть улучшено за счет соответствующего формирования рисунка на поверхности. Эти фторполимеры покрывают необходимый проводящий электрод, обычно сделанный из алюминиевой фольги или оксида индия-олова (ITO), для создания желаемых свойств электросмачивания. [28] Три типа таких полимеров коммерчески доступны: гидрофобные и супергидрофобные полимеры FluoroPel серии V продаютсяCytonix , CYTOP продается Asahi Glass Co. , а Teflon AF продается DuPont . Были использованы другие поверхностные материалы, такие как SiO2 и золото на стекле. [29] [30] Эти материалы позволяют самим поверхностям действовать как заземляющие электроды для электрического тока. [30]

Приложения [ править ]

Электросмачивание в настоящее время используется в широком диапазоне применений: от модульных до регулируемых линз, электронных дисплеев ( электронная бумага ), электронных наружных дисплеев и переключателей для оптических волокон. Электросмачивание недавно использовалось для манипулирования мягкими веществами, в частности, для подавления эффекта кофейных пятен . [31] Кроме того, фильтры с функцией электросмачивания были предложены для очистки разливов нефти и разделения водонефтяных смесей. [32]

Международная встреча [ править ]

Каждые два года проводится международное собрание по электросмачиванию. Последняя встреча прошла 18-20 июня 2018 г. в Университете Твенте, Нидерланды. [33]

Предыдущие хозяева встречи по электросмачиванию: Монс (1999), Эйндховен (2000), Гренобль (2002), Блаубойрен (2004), Рочестер (2006), Лос-Анджелес (2008), Поханг (2010), Афины (2012), Цинциннати (2014), Тайбэй (2016).

См. Также [ править ]

  • Микрофлюидика
  • Смачивание
  • Мягкая материя
  • Переход металл-полупроводник

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Габриэль Липпманн, «Отношения между электрическими феноменами и капиллярами». Анна. Чим. Phys, 5: 494, 1875.
  2. ^ А. Фрумкин, Об явлениях смачивания и прилипания пузырьков, I (О явлениях смачивания и слипания пузырьков, I). Журнал физической химии, 12: 337-345 (1938).
  3. ^ Бени, Г .; Хаквуд, С. (15 февраля 1981 г.). «Электросмачивающие дисплеи». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 38 (4): 207–209. Bibcode : 1981ApPhL..38..207B . DOI : 10.1063 / 1.92322 . ISSN  0003-6951 .
  4. ^ [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 08.07.2011 . Проверено 14 ноября 2009 . CS1 maint: archived copy as title (link)
  6. ^ Б. Берже, "Электрокапилляры и пленки изоляторов par l'eau", CR Acad. Sci. Париж, т. 317, Серия II, стр. 157-163, 1993.
  7. ^ a b Дж. Ли, "Микроактивация непрерывным электросмачиванием и электросмачиванием: теория, изготовление и демонстрация", докторская диссертация, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, 2000 г.
  8. ^ С. Арскотт «Электросмачивание и полупроводники» RSC Advances 4, 29223 (2014). DOI : 10.1039 / C4RA04187A .
  9. ^ C. Пальма и Р. Диган «Электросмачивание полупроводников» Appl. Phys. Lett. 106, 014106 (2015). DOI : 10.1063 / 1.4905348 .
  10. ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). DOI : 10.1063 / 1.4818715 .
  11. ^ Дж. Ли и К.-Дж. Ким, " Жидкий микромотор с приводом от непрерывного электросмачивания ", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Гейдельберг, Германия, январь 1998 г., стр. 538–543
  12. ^ Поллак, Майкл G .; Ярмарка, Ричард Б .; Шендеров, Александр Д. (2000-09-11). «Электросмачивание срабатываний капель жидкости для микрофлюидных приложений». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 77 (11): 1725–1726. Bibcode : 2000ApPhL..77.1725P . DOI : 10.1063 / 1.1308534 . ISSN 0003-6951 . 
  13. ^ С.-К. Фан, П.-П. де Гусман и К.-Ж. Ким, "EWOD Управление каплей на сетке NxM с использованием однослойных электродов", Tech. Dig., Семинар по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, Хилтон-Хед-Айленд, Южная Каролина, июнь 2002 г., стр. 134–137
  14. ^ Дж. Гонг и К.-Дж. Ким, " Двумерная цифровая микрофлюидная система на многослойной печатной плате ", Proc. IEEE Conf. MEMS, Орландо, Флорида, январь 2005 г., стр. 726–729.
  15. ^ C.-J. Ким, «Интегрированные цифровые микрофлюидные схемы, работающие по принципу электросмачивания диэлектриков (EWOD)», выданная в 2000 году Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), номер награды N66001-0130-3664
  16. ^ C.-J. Ким, «Микронасос с помощью электросмачивания», Труды Международного конгресса и выставки по машиностроению ASME, ноябрь 2001 г., Нью-Йорк, IMECE2001 / HTD-24200.
  17. ^ М.Г. Поллак, Микроактивация капель на основе электросмачивания для цифровой микрофлюидики, докторская диссертация, Университет Дьюка, 2001.
  18. ^ Чо, СК; Moon, H .; Ким, К.-Дж. (2003). «Создание, транспортировка, резка и слияние капель жидкости с помощью срабатывания на основе электросмачивания для цифровых микрожидкостных схем». Журнал микроэлектромеханических систем . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 12 (1): 70–80. DOI : 10,1109 / jmems.2002.807467 . ISSN 1057-7157 . 
  19. ^ Чанг, HC; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
  20. Перейти ↑ Kirby, BJ (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
  21. ^ Кларман, Дэн; Анделман, Дэвид; Урбах, Михаил (17.05.2011). «Модель электросмачивания, обратного электросмачивания и насыщения краевого угла». Ленгмюра . 27 (10): 6031–6041. arXiv : 1102.0791 . Bibcode : 2011arXiv1102.0791K . DOI : 10.1021 / la2004326 . ISSN 0743-7463 . PMID 21510663 .  
  22. ^ Шевальо, Стефани; Койпер, Штейн; Хайкенфельд, Джейсон (2012). «Экспериментальное подтверждение инвариантности насыщения краевого угла смачивания» (PDF) . Журнал адгезии и технологий . Брилл. опережающий печать (опережающий печать): 1–22. DOI : 10.1163 / 156856111x599580 . ISSN 0169-4243 . Архивировано из оригинального (PDF) 14 июля 2012 года.  
  23. ^ Крупенкин, Том; Тейлор, Дж. Эшли (23.08.2011). «Обратное электросмачивание как новый подход к сбору энергии большой мощности» . Nature Communications . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (1): 448. Bibcode : 2011NatCo ... 2..448K . DOI : 10.1038 / ncomms1454 . ISSN 2041-1723 . PMC 3265368 . PMID 21863015 .   
  24. ^ Хао, Чунлей; Лю, Яхуа; Чен, Сюэмэй; Он, Юньчэн; Ли, Цюшэн; Ли, Кентукки; Ван, Цзуанкай (30.10.2014). «Электросмачивание пленки, наполненной жидкостью (EWOLF): полная обратимость и контролируемое подавление колебаний капель для быстрого получения оптических изображений» . Научные отчеты . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 4 (1): 6846. arXiv : 1409.6989 . Bibcode : 2014NatSR ... 4E6846H . DOI : 10.1038 / srep06846 . ISSN 2045-2322 . PMID 25355005 .  
  25. ^ Цю Пей Ю; Мун, Хеджин; Тошиёси, Хироши; Ким, Чанг-Джин; Ву, Мин С. (2003). «Легкое срабатывание жидкости оптоэлектросмачиванием». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . Elsevier BV. 104 (3): 222–228. DOI : 10.1016 / s0924-4247 (03) 00024-4 . ISSN 0924-4247 . 
  26. ^ Пак, Сун-Юн; Teitell, Michael A .; Чиу, Эрик PY (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипулирования каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе . Королевское химическое общество (RSC). 10 (13): 1655–61. DOI : 10.1039 / c001324b . ISSN 1473-0197 . PMID 20448870 .  
  27. ^ Арскотт, Стив (2011). «Движение жидкостей со светом: фотоэлектросмачивание полупроводников» . Научные отчеты . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Bibcode : 2011NatSR ... 1E.184A . DOI : 10.1038 / srep00184 . ISSN 2045-2322 . PMID 22355699 .  
  28. ^ Ян, Чун-Гуан; Сюй, Чжан-Жунь; Ван, Цзянь-Хуа (февраль 2010 г.). «Манипуляции с каплями в микрофлюидных системах». Тенденции TrAC в аналитической химии . 29 (2): 141–157. DOI : 10.1016 / j.trac.2009.11.002 .
  29. ^ Брабцова, Зузана; Макхейл, Глен; Уэллс, Гэри Дж .; Браун, Карл В .; Ньютон, Майкл И. (20 марта 2017 г.). «Электрическое поле, вызванное обратимым растеканием капель в пленки на поверхностях, пропитанных смазкой» . Письма по прикладной физике . 110 (12): 121603. Bibcode : 2017ApPhL.110l1603B . DOI : 10.1063 / 1.4978859 .
  30. ^ а б Лю, Йи; Сур, Аритра; Pascente, Кармен; Ravi Annapragada, S .; Руххофт, Пол; Лю, Донг (март 2017 г.). «Динамика движения капель при электросмачивании» . Международный журнал тепломассообмена . 106 : 920–931. DOI : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.10.040 .
  31. ^ H.Burak Eral, D.Mampallil, MHG Duits, F. Mugele «Подавление эффекта кофейных пятен: как контролировать самосборку коллоидов в испаряющихся каплях с помощью электросмачивания», Soft Matter, 2011, 7, 4954–4958 , doi : 10.1039 / C1SM05183K
  32. ^ Х. Бурак Эрал, Р. Руйтер, Дж. Руйтер, Дж. М. О, К. Семпребон, М. Бринкманн, Ф. Мугеле, «Обратимые морфологические переходы капли на волокне», Soft Matter, 2011, 7 (11) , 5138 - 5143 , DOI : 10.1039 / C0SM01403F
  33. ^ Международная конференция по электросмачиванию 2018

Внешние ссылки [ править ]

  • Fan-TASY Lab в Национальном университете Тайваня
  • Wheeler Digital Microfluidics Group при Университете Торонто
  • Электросмачивание в Университете Цинциннати.
  • Цифровая микрофлюидика в Университете Дьюка
  • Физика сложных жидкостей в Университете Твенте
  • Схема, поясняющая электросмачивание
  • Прогресс в области электросмачивания дисплеев
  • Гибкий дисплей с электросмачиванием в UC NanoLab, Университет Цинциннати
  • 6,2-дюймовый дисплей Liquidvista с низкочастотным электросмачиванием
  • Полная разработка систем и устройств со специализацией в создании прототипов электросмачивания. Сотрудничество с Университетом Цинциннати.