Электрокинетика с индуцированным зарядом в физике - это электрически управляемый поток жидкости и движение частиц в жидком электролите . [2] Рассмотрим металлическую частицу (которая имеет нейтральный заряд, но электрически проводящую), контактирующую с водным раствором в камере / канале. Если на конце этой камеры / канала подаются разные напряжения , электрическое полебудет 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, вокруг частицы образуется двойной электрический слой (ДЭС). 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, индуцированнаядзета-потенциал вокруг частицы и, следовательно, скорость скольжения по поверхности частицы изменяются в зависимости от местного 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 модели электроосмотического обтекания сферы Au при включении переменного тока (E = 10 мВ / мкм, f = 1 кГц). Электрокинетиказдесь относится к области науки, связанной с движением и реакцией заряженных частиц на приложенное электрическое поле и его воздействием на окружающую среду. Иногда это также называют нелинейным электрокинетическим явлением. [ необходима цитата ]
История [ править ]
Левич - один из пионеров в области электрокинетического поля с индуцированным зарядом. [2] Он рассчитал профиль возмущенного скольжения вокруг проводящей частицы, контактирующей с электролитом. Он также теоретически предсказал, что при приложении электрического поля вокруг этой частицы возникают вихри.
Наведенные вихри вокруг проводящей частицы [ править ]
Размер и сила наведенных вихрей вокруг проводящей частицы напрямую зависят 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, пока циркулирует жидкость быстрее. Показано, что увеличение размера проводящей поверхности приводит к увеличению индуцированных вихрей до такой степени, что геометрия не ограничивает их рост.
Приложения [ править ]
Индуцированные вихри находят множество применений в различных аспектах электрокинетической микрофлюидики. Существует множество микромиксеров, которые спроектированы и изготовлены на основе наличия в них наведенных вихрей в микрофлюидических устройствах. 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 можно использовать в качестве микроклапана, микропривода, микромотора и микромотора для управления направлением и манипуляциями.
См. Также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ a b c Дагхиги, Ясаман; Шинн, Ирэн; Копельман, Рауль; Ли, Дунцин (2013). «Экспериментальное подтверждение электрокинетического движения индуцированных зарядов электропроводящих частиц». Electrochimica Acta . 87 : 270–276. DOI : 10.1016 / j.electacta.2012.09.021 . ISSN 0013-4686 .
- ^ a b В. Г. Левич, Физико-химическая гидродинамика. Энглвудские скалы, Нью-Джерси, Прентис-Холл, (1962)
- ^ К. Пэн, И. Лазо, С.В. Шияновский, О.Д. Лаврентович, Электроосмос с индуцированным зарядом вокруг металлических и янусовых сфер в воде: модели течения и нарушение симметрии, препринт arXiv arXiv : 1411.1478 , (2014)
- ^ Н. И. Гамаюнов, Г. И. Мантров, В. А. Мурцовкин, Исследование потоков, индуцированных внешним электрическим полем в окрестности проводящих частиц, Коллоид. Ж., 54, (1992) 26-30.
- ^ Духин А.С., Биоспецифический механизм образования двойного слоя и особенности электрофореза клеток, Colloids Surf. Physicochem. Англ. Аспекты, 73, (1993) 29-48.
- ^ Электрокинетика и электрогидродинамика в микросистемах Курсы и лекции CISM Том 530, 2011, стр 221-297 Электрокинетические явления с индуцированным зарядом Мартин З. Базант
- ^ Y. Daghighi, Y. Gao и Д. Ли, 3D Численное исследование электрокинетических движения гетерогенного частицы, Electrochimica Acta, 56 (11), (2011) 4254-4262
- ^ 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
- ^ Д. Струк, SKW Dertinger, А. Ajdari, И. Mezić, HA Камень и GM Уайтсайдс, "Chaotic смеситель для микроканалов," Наука, 295, (2002) 647-651
- ^ Ю. Daghighi, Д. Ли, Роман дизайн наведенного заряда электрокинетического Micro-Mixer, Analytica Chimica Acta, 763 (2013) 28-37
- ^ CK Harnett, J. Templeton, KA Dunphy-Guzman, YM Senousy и MP Kanouff, Конструкция микрожидкостного смесителя на основе модели, управляемая электроосмосом с индуцированным зарядом, Lab on a Chip - Miniaturization for Chemistry and Biology, 8 (2008) pp. 565 -572
- ^ М. Джайн, А. Йунг и К. Нандакумар, Электроосмотический смеситель с индуцированным зарядом: оптимизация формы препятствий, Биомикрофлюидика, 3 (2009)
