Elektrozwilżanie

Elektrozwilżanie to modyfikacja właściwości zwilżania powierzchni (która jest typowo hydrofobowa ) za pomocą przyłożonego pola elektrycznego .

Historia

Elektrozwilżanie rtęci i innych cieczy na zmiennie naładowanych powierzchniach zostało prawdopodobnie po raz pierwszy wyjaśnione przez Gabriela Lippmanna w 1875 roku iz pewnością zostało zaobserwowane znacznie wcześniej. AN Frumkin użył ładunku powierzchniowego do zmiany kształtu kropli wody w 1936 r. Termin elektrozwilżanie został po raz pierwszy wprowadzony w 1981 r. przez G. Beni i S. Hackwooda, aby opisać efekt zaproponowany do zaprojektowania nowego typu urządzenia wyświetlającego, na który otrzymali patent . Zastosowanie „tranzystora płynnego” w obwodach mikroprzepływowych do manipulowania płynami chemicznymi i biologicznymi zostało po raz pierwszy zbadane przez J. Browna w 1980 r., A później sfinansowane w latach 1984–1988 w ramach dotacji NSF 8760730 i 8822197, z wykorzystaniem izolującej warstwy dielektrycznej i hydrofobowej (warstwy) ( EWOD), płyny niemieszające się, zasilanie DC lub RF; i masowe układy miniaturowych przeplatanych (piłokształtnych) elektrod z dużymi lub dopasowanymi z tlenku indu i cyny (ITO) do cyfrowego przemieszczania nanokropelek na ścieżkach liniowych, kołowych i ukierunkowanych, pompowania lub mieszania płynów, napełniania zbiorników i sterowania przepływem płynów elektronicznie lub optycznie. Później, we współpracy z J. Silverem z NIH, ujawniono elektrozwilżanie oparte na EWOD dla pojedynczych i niemieszających się płynów w celu przemieszczania, rozdzielania, utrzymywania i uszczelniania macierzy cyfrowych podpróbek PCR.

Zwilżanie elektrolityczne przy użyciu warstwy izolacyjnej na wierzchu gołej elektrody zostało później zbadane przez Bruno Berge w 1993 r. Zwilżanie elektrolityczne na tej powierzchni pokrytej dielektrykiem nazywa się zwilżaniem elektrycznym na dielektryku (EWOD), aby odróżnić je od konwencjonalnego elektrozwilżania na gołej elektrodzie. Elektrozwilżanie można wykazać zastępując metalową elektrodę w systemie EWOD półprzewodnikiem . Elektrozwilżanie obserwuje się również, gdy odwrotne odchylenie polaryzacji , w celu utworzenia styku Schottky'ego w konfiguracji obwodu elektrycznego diody Schottky'ego - efekt ten został nazwany „ Elektrozwilżanie Schottky'ego”.

Mikroprzepływowe manipulowanie cieczami za pomocą elektrozwilżania zostało zademonstrowane najpierw z kropelkami rtęci w wodzie, a później z wodą w powietrzu i wodą w oleju. Manipulowanie kropelkami na dwuwymiarowej ścieżce zostało zademonstrowane później. Jeśli ciecz jest dyskretyzowana i programowo manipulowana, podejście to nazywa się „Cyfrowymi obwodami mikroprzepływowymi” lub „Cyfrową mikroprzepływową”. Dyskretyzację przez elektrozwilżanie na dielektryku (EWOD) po raz pierwszy zademonstrowali Cho, Moon i Kim.

Teoria elektrozwilżania

Płyn, izolator, podłoże

Efekt elektrozwilżania został zdefiniowany jako „zmiana kąta zwilżania ciało stałe- elektrolit w wyniku przyłożonej różnicy potencjałów między ciałem stałym a elektrolitem”. Zjawisko elektrozwilżania można rozumieć w kategoriach sił wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Pole brzegowe w rogach kropli elektrolitu ma tendencję do ściągania kropli w dół na elektrodę, obniżając makroskopowy kąt zwilżania i zwiększając powierzchnię styku kropli. Alternatywnie, elektrozwilżanie można rozpatrywać z perspektywy termodynamicznej. Ponieważ napięcie powierzchniowe interfejsu jest definiowane jako energia swobodna Helmholtza wymagana do wytworzenia określonego obszaru tej powierzchni, zawiera ona zarówno składniki chemiczne, jak i elektryczne, a ładunek staje się znaczącym terminem w tym równaniu. Składnik chemiczny to po prostu naturalne napięcie powierzchniowe na granicy faz ciało stałe/elektrolit bez pola elektrycznego. Składnik elektryczny to energia zmagazynowana w kondensatorze utworzonym między przewodnikiem a elektrolitem.

Najprostsze wyprowadzenie zachowania elektrozwilżania daje rozważenie jego modelu termodynamicznego. Chociaż możliwe jest uzyskanie szczegółowego modelu numerycznego elektrozwilżania, biorąc pod uwagę dokładny kształt pola elektrycznego i jego wpływ na lokalną krzywiznę kropel, takie rozwiązania są złożone matematycznie i obliczeniowo. Wyprowadzenie termodynamiczne przebiega w następujący sposób. Definiowanie odpowiednich napięć powierzchniowych jako:

{\ Displaystyle \ gamma _ {ws} \,}

- Całkowite elektryczne i chemiczne napięcie powierzchniowe między elektrolitem a przewodnikiem

{\ Displaystyle \ gamma _ {ws} ^ {0} \,}

- Napięcie powierzchniowe między elektrolitem a przewodnikiem przy zerowym polu elektrycznym

Displaystyle

- Napięcie powierzchniowe między przewodnikiem a zewnętrznym otoczeniem

gamma _ {w} \,}

- Napięcie powierzchniowe między elektrolitem a zewnętrznym otoczeniem

-

kąt zwilżania między elektrolitem a dielektrykiem

₀

-

Pojemność na powierzchnię interfejsu, _r є / t dla jednorodnego dielektryka o grubości t i przenikalności elektrycznej є _r

{\ displaystyle V}

- Efektywne przyłożone napięcie, całka pola elektrycznego od elektrolitu do przewodnika

Powiązanie całkowitego napięcia powierzchniowego z jego składnikami chemicznymi i elektrycznymi daje:

{\ Displaystyle \ gamma _ {ws} = \ gamma _ {ws} ^ {0} - {\ Frac {CV ^ {2}} {2}} \,}

Kąt zwilżania jest określony przez równanie Younga-Dupre'a, z jedyną komplikacją polegającą na tym, że używana jest całkowita energia powierzchniowa: ${\ displaystyle \ gamma _ {ws}}$

{\ Displaystyle \ gamma _ {ws} = \ gamma _ {s} - \ gamma _ {w} \ cos (\ teta) \,}

Połączenie tych dwóch równań daje zależność θ od efektywnego przyłożonego napięcia jako:

\ Displaystyle \ cos \ theta = \ lewo ({\ Frac {\ gamma _ {s} - \ gamma _ {ws} ^ {0 }+{\frac {CV^{2}}{2}}}{\gamma _{w}}}\right)\,}

Dodatkową komplikacją jest to, że ciecze również wykazują zjawisko nasycenia: po pewnym napięciu, napięciu nasycenia, dalszy wzrost napięcia nie zmieni kąta zwilżania, a przy ekstremalnych napięciach interfejs będzie wykazywał jedynie niestabilności.

Jednak ładunek powierzchniowy jest tylko jednym ze składników energii powierzchniowej, a inne składniki są z pewnością zaburzone przez ładunek indukowany. Tak więc pełne wyjaśnienie elektrozwilżania jest nieokreślone ilościowo, ale nie powinno dziwić, że te ograniczenia istnieją.

Niedawno wykazali to Klarman i in. że nasycenie kąta zwilżania można wytłumaczyć jako efekt uniwersalny – niezależnie od użytych materiałów – jeśli elektrozwilżanie jest obserwowane jako zjawisko globalne, na które wpływa szczegółowa geometria układu. W tych ramach przewiduje się, że możliwe jest również elektrozwilżanie odwrócone (kąt zwilżania rośnie wraz z napięciem).

Chevaloitt wykazał również eksperymentalnie, że nasycenie kąta zwilżania jest niezmienne dla wszystkich parametrów materiałów, ujawniając w ten sposób, że gdy stosowane są dobre materiały, większość teorii nasycenia jest nieważna. Ten sam artykuł sugeruje ponadto, że niestabilność elektrohydrodynamiczna może być źródłem nasycenia, teoria, która nie została udowodniona, ale jest sugerowana również przez kilka innych grup.

Odwrotne elektrozwilżanie

Odwrotne elektrozwilżanie można wykorzystać do pozyskiwania energii za pomocą schematu inżynierii mechanicznej do elektrycznej.

Elektrozwilżanie na folii nasączonej cieczą (EWOLF)

Inną konfiguracją elektrozwilżania jest elektrozwilżanie folii nasączonej cieczą. Warstwę nasyconą cieczą uzyskuje się poprzez zamknięcie ciekłego środka poślizgowego w porowatej membranie poprzez delikatną kontrolę właściwości zwilżających fazy ciekłej i stałej. Wykorzystując znikome przypięcie linii styku na granicy faz ciecz-ciecz, odpowiedź kropli w EWOLF można adresować elektrycznie ze zwiększonym stopniem przełączalności i odwracalności w porównaniu z konwencjonalnym EWOD. Co więcej, infiltracja ciekłej fazy smarującej w porowatą membranę również skutecznie zwiększa rozpraszanie energii lepkości, tłumiąc oscylacje kropelek i prowadząc do szybkiej reakcji bez utraty pożądanej odwracalności elektrozwilżania. Tymczasem efekt tłumienia związany z EWOLF można dostosować, manipulując lepkością i grubością płynnego smaru.

Zwilżanie optyczne i fotoelektryczne

Optoelektryzwilżanie i fotoelektryzwilżanie są efektami elektrozwilżania indukowanymi optycznie. Zwilżanie optoelektroniczne polega na zastosowaniu fotoprzewodnika, podczas gdy zwilżanie fotoelektryczne wykorzystuje fotopojemność i można je zaobserwować, jeśli przewodnik w stosie ciecz/izolator/przewód używany do elektrozwilżania zostanie zastąpiony półprzewodnikiem . Modulując optycznie liczbę nośników w ładunku przestrzennego półprzewodnika, kąt zwilżania kropelki cieczy można zmieniać w sposób ciągły. Efekt ten można wyjaśnić modyfikacją równania Younga-Lippmanna.

Materiały

Z powodów, które wciąż są badane, tylko ograniczony zestaw powierzchni wykazuje teoretycznie przewidywane zachowanie elektrozwilżania. Z tego powodu alternatywne materiały, które można zastosować do powlekania i funkcjonalizacji powierzchni, są wykorzystywane do uzyskania oczekiwanego zachowania zwilżającego. Na przykład amorficzne fluoropolimery są szeroko stosowanymi elektrozwilżającymi materiałami powłokowymi i stwierdzono, że zachowanie tych fluoropolimerów można poprawić przez odpowiednie ukształtowanie powierzchni. Te fluoropolimery pokrywają niezbędną elektrodę przewodzącą, zwykle wykonaną z folii aluminiowej lub tlenku cyny indu (ITO), aby uzyskać pożądane właściwości elektrozwilżania. W handlu dostępne są trzy rodzaje takich polimerów: FluoroPel hydrofobowe i superhydrofobowe polimery serii V są sprzedawane przez Cytonix, CYTOP jest sprzedawany przez Asahi Glass Co. , a Teflon AF jest sprzedawany przez DuPont . Zastosowano inne materiały powierzchniowe, takie jak SiO2 i złoto na szkle. Materiały te pozwalają samym powierzchniom działać jako elektrody uziemiające dla prądu elektrycznego.

Aplikacje

Elektrozwilżanie jest obecnie wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań , od soczewek modułowych po regulowane, wyświetlacze elektroniczne ( e-papier ), elektroniczne wyświetlacze zewnętrzne i przełączniki światłowodowe. Elektrozwilżanie zostało ostatnio przywołane do manipulowania miękką materią , w szczególności do tłumienia efektu plamy z kawy . Ponadto sugerowano filtry z funkcją elektrozwilżania do czyszczenia wycieków oleju i oddzielania mieszanin olej-woda.

Międzynarodowe spotkanie

Międzynarodowe spotkanie poświęcone elektrozwilżaniu odbywa się co dwa lata. Ostatnie spotkanie odbyło się w dniach 18-20 czerwca 2018 r. na Uniwersytecie Twente w Holandii.

Dotychczasowymi gospodarzami elektrozwilżania byli: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Angeles (2008), Pohang (2010), Ateny (2012), Cincinnati (2014), Tajpej (2016).

Zobacz też

Linki zewnętrzne