Название « электроспрей» используется для устройства, в котором используется электричество для диспергирования жидкости, или для мелкодисперсного аэрозоля, образующегося в результате этого процесса. Высокое напряжение подается на жидкость, подаваемую через эмиттер (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая наконечника эмиттера, образует конус Тейлора , который испускает струю жидкости через его вершину. Варикозные волны на поверхности струи приводят к образованию мелких и сильно заряженных капель жидкости, которые радиально рассеиваются за счет кулоновского отталкивания.
В конце 16 века Уильям Гилберт [1] решил описать поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного кусочка янтаря капля воды деформировалась в конус. Этот эффект явно связан с электроспреями, хотя Гилберт не записал никаких наблюдений, связанных с диспергированием жидкости под действием электрического поля.
В 1750 году французский священнослужитель и физик Жан-Антуан (аббат) Нолле заметил, что вода, текущая с судна, будет аэрозольно, если судно будет электрифицировано и размещено рядом с электрической землей. Он также отметил, что аналогичным образом «человек, наэлектризованный подключением к высоковольтному генератору, не будет нормально кровоточить, если порежется; кровь будет брызгать из раны». [2]
В 1882 году лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости; [3] это теперь известно как «предел Рэлея». Его предсказание, что капля, достигающая этого предела, будет выбрасывать тонкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более 100 лет спустя. [4]
В 1914 году Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах стеклянных капилляров. [5] В этом отчете представлены экспериментальные данные о нескольких режимах работы электроспрея (капельный, взрывной, пульсирующий и конус-струя). Спустя несколько лет Зеленый сделал первые покадровые снимки динамического жидкого мениска. [6]
Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Ингрэм Тейлор разработал теоретические основы электрораспыления. [7] [8] [9] Тейлор смоделировал форму конуса, образованного каплей жидкости под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора . Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели вытекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей. [10]
Чтобы упростить обсуждение, в следующих параграфах будет рассмотрен случай положительного электроспрея с высоким напряжением, приложенным к металлическому эмиттеру. Рассмотрена классическая электрораспылительная установка, эмиттер которой расположен на удалении от заземленного противоэлектрода. Распыляемая жидкость характеризуется вязкостью , поверхностным натяжением , проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью .
Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает полусферическую форму на острие эмиттера. Приложение положительного напряжения вызовет электрическое поле: [11]
где - радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные / положительные носители заряда перемещаются к / от электрода, к которому приложено напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой геометрии равновесия с меньшим радиусом кривизны.
Напряжения выше порогового значения втягивают жидкость в конус. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, исходя из предположений, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в установившемся состоянии равновесия. [7] Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно обладать азимутальной симметрией и иметь зависимость, чтобы уравновесить поверхностное натяжение и создать конус. Решение этой проблемы:
где (эквипотенциальная поверхность) существует при значении (независимо от R), создавая эквипотенциальный конус. Угол магии необходимо для для всех R является нулем полинома Лежандра порядка 1/2, . Между 0 и 130,7099 ° есть только один ноль , который является дополнением известного теперь угла Тейлора 49,3 °.
Вершина конического мениска не может стать бесконечно маленькой. Особенность возникает, когда время гидродинамической релаксации становится больше времени релаксации заряда . [12] Неопределенные символы обозначают характеристическую длину и диэлектрическую проницаемость вакуума . Из-за внутренней варикозной нестабильности заряженная струя жидкости, выбрасываемая через вершину конуса, разбивается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются объемным зарядом.
Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается противоэлектродом в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы уравновесить потерю заряда, избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически на эмиттере. Несбалансированность между количеством заряда, генерируемого электрохимически, и количеством заряда, потерянного на вершине конуса, может привести к нескольким рабочим режимам электрораспыления. Для конусно-струйного электрораспыления потенциал на границе раздела металл / жидкость саморегулируется, генерируя такое же количество заряда, которое теряется через вершину конуса. [13]
Электрораспыление стало широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенна успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул. [14]
Источник ионов жидкого металла (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионов . [15] [16] Ионы образуются в результате полевого испарения на вершине конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионной имплантации и в приборах с фокусированным ионным пучком .
Подобно стандартному электроспрею, приложение высокого напряжения к раствору полимера может привести к образованию конической формы струи. Если струя превращается в очень тонкие волокна, а не на мелкие капли, этот процесс называется электроспиннингом .
Методы электрораспыления используются в качестве электрических ракетных двигателей малой тяги для управления спутниками , поскольку точно управляемый выброс частиц обеспечивает точную и эффективную тягу.
Электрораспыление может быть использовано в нанотехнологии , [17] , например , для осаждения одиночных частиц на поверхности. Это делается путем распыления коллоидов, содержащих в среднем только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя аэрозольный поток отдельных частиц желаемого типа. Ионизирующие свойства процесса не являются решающими для применения, но могут использоваться для электростатического осаждения частиц.
В этом разделе не процитировать любые источники . ( Август 2014 г. ) |
Вместо нанесения наночастиц , наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены на месте путем осаждения ионов металлов в желаемых местах. Электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ считались механизмом формирования наноструктуры.
Электрораспыление привлекло внимание в области доставки лекарств, и его использовали для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапии [18], а также липоплексы, используемые для доставки нуклеиновых кислот . [19] Частицы лекарственного средства субмикронного размера, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, что увеличивает биодоступность из-за увеличенной площади поверхности. [20] Таким образом, можно уменьшить побочные эффекты лекарств, поскольку для того же эффекта достаточно меньшей дозировки.
Электрораспыление используется в некоторых очистителях воздуха . Взвешенные в воздухе частицы можно заряжать с помощью электроспрея аэрозоля, манипулировать ими с помощью электрического поля и собирать на заземленном электроде. Такой подход сводит к минимуму выработку озона, что характерно для других типов очистителей воздуха.