Elektrovätning

Elektrovätning är modifieringen av vätningsegenskaperna hos en yta (som vanligtvis är hydrofob ) med ett pålagt elektriskt fält .

Historia

Elektrovätning av kvicksilver och andra vätskor på varierande laddade ytor förklarades förmodligen först av Gabriel Lippmann 1875 och observerades säkert mycket tidigare. AN Frumkin använde ytladdning för att ändra formen på vattendroppar 1936. Termen elektrovätning introducerades först 1981 av G. Beni och S. Hackwood för att beskriva en effekt som föreslagits för att designa en ny typ av displayenhet som de fick patent på . Användningen av en "vätsketransistor" i mikrofluidiska kretsar för att manipulera kemiska och biologiska vätskor undersöktes först av J. Brown 1980 och finansierades senare 1984–1988 under NSF Grants 8760730 & 8822197, med hjälp av isolerande dielektriska och hydrofoba skikt ( EWOD), oblandbara vätskor, DC- eller RF-effekt; och massuppsättningar av miniatyr interfolierade (sågtand) elektroder med stora eller matchande indiumtennoxid (ITO) elektroder för att digitalt flytta nanodroppar i linjära, cirkulära och riktade banor, pumpa eller blanda vätskor, fylla reservoarer och styra vätskeflödet elektroniskt eller optiskt. Senare, i samarbete med J. Silver vid NIH, avslöjades EWOD-baserad elektrovätning för enstaka och oblandbara vätskor för att flytta, separera, hålla och försegla arrayer av digitala PCR-delprover.

Elektrovätning med hjälp av ett isolerande skikt ovanpå en bar elektrod studerades senare av Bruno Berge 1993. Elektrovätning på denna dielektriskt belagda yta kallas elektrovätning-på-dielektrisk (EWOD) för att skilja den från den konventionella elektrovätning på den bara elektroden. Elektroden kan påvisas genom att ersätta metallelektroden i EWOD-systemet med en halvledare . Elektrovätning observeras också när en omvänd förspänning appliceras på en ledande droppe (t.ex. kvicksilver) som har placerats direkt på en halvledaryta (t.ex. kisel) för att bilda en Schottky-kontakt i en Schottky-diods elektriska kretskonfiguration – denna effekt har benämnts " Schottky elektrovätning'.

Mikrofluidisk manipulation av vätskor genom elektrovätning demonstrerades först med kvicksilverdroppar i vatten och senare med vatten i luft och vatten i olja. Manipulation av droppar på en tvådimensionell bana demonstrerades senare. Om vätskan diskretiseras och programmerbart manipuleras kallas tillvägagångssättet "Digital Microfluidic Circuits" eller "Digital Microfluidics". Diskretisering genom elektrovätning-på-dielektrikum (EWOD) demonstrerades först av Cho, Moon och Kim.

Teori om elektrovätning

Vätska, Isolator, Substrat

Elektrovätningseffekten har definierats som "förändringen i kontaktvinkeln mellan fast ämne och elektrolyt på grund av en applicerad potentialskillnad mellan fast ämne och elektrolyt". Fenomenet elektrovätning kan förstås i termer av de krafter som härrör från det pålagda elektriska fältet. Kantfältet i hörnen av elektrolytdroppen tenderar att dra droppen ner på elektroden, vilket sänker den makroskopiska kontaktvinkeln och ökar droppens kontaktarea. Alternativt kan elektrovätning ses ur ett termodynamiskt perspektiv. Eftersom ytspänningen för ett gränssnitt definieras som Helmholtz fria energi som krävs för att skapa ett visst område av den ytan, innehåller den både kemiska och elektriska komponenter, och laddning blir en betydelsefull term i den ekvationen. Den kemiska komponenten är bara den naturliga ytspänningen hos gränsytan mellan fast och elektrolyt utan elektriskt fält. Den elektriska komponenten är energin som lagras i kondensatorn som bildas mellan ledaren och elektrolyten.

Den enklaste härledningen av elektrovätningsbeteende ges genom att överväga dess termodynamiska modell. Även om det är möjligt att erhålla en detaljerad numerisk modell av elektrovätning genom att överväga den exakta formen av det elektriska kantfältet och hur det påverkar den lokala droppkrökningen, är sådana lösningar matematiskt och beräkningsmässigt komplexa. Den termodynamiska härledningen fortskrider enligt följande. Definiera relevanta ytspänningar som:

\gamma _{ws}\,

– Den totala, elektriska och kemiska, ytspänningen mellan elektrolyten och ledaren

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

– Ytspänningen mellan elektrolyten och ledaren vid noll elektriskt fält

\gamma _{s}\,

– Ytspänningen mellan ledaren och den externa omgivningen

\gamma _{w} \,

– Ytspänningen mellan elektrolyten och den externa omgivningen

\theta

– Den makroskopiska kontaktvinkeln mellan elektrolyten och dielektrikumet

₀

C

– Kapacitansen per area av gränssnittet, є _r є /t, för ett enhetligt dielektrikum med tjocklek t och permittivitet є _r

V

– Den effektiva pålagda spänningen, integralen av det elektriska fältet från elektrolyten till ledaren

Att relatera den totala ytspänningen till dess kemiska och elektriska komponenter ger:

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

Kontaktvinkeln ges av Young-Dupre-ekvationen, med den enda komplikationen att den totala ytenergin $ws}}$ { används:

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

Att kombinera de två ekvationerna ger beroendet av θ på den effektiva pålagda spänningen som:

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

En ytterligare komplikation är att vätskor också uppvisar ett mättnadsfenomen: efter viss spänning kommer mättnadsspänningen, den ytterligare ökningen av spänningen inte att ändra kontaktvinkeln, och med extrema spänningar kommer gränssnittet bara att visa instabilitet.

Ytladdning är emellertid bara en komponent av ytenergi, och andra komponenter störs säkert av inducerad laddning. Så en fullständig förklaring av elektrovätning är okvantifierad, men det borde inte vara förvånande att dessa gränser finns.

Det visades nyligen av Klarman et al. att kontaktvinkelmättnad kan förklaras som en universell effekt – oavsett material som används – om elektrovätning observeras som ett globalt fenomen som påverkas av systemets detaljerade geometri. Inom denna ram förutsägs det att omvänd elektrovätning också är möjlig (kontaktvinkeln växer med spänningen).

Det har också experimentellt visats av Chevaloitt att kontaktvinkelmättnad är oföränderlig för alla materialparametrar, vilket avslöjar att när bra material används är de flesta mättnadsteorier ogiltiga. Samma artikel antyder vidare att elektrohydrodynamisk instabilitet kan vara källan till mättnad, en teori som är obevisad men som också föreslås av flera andra grupper.

Omvänd elektrovätning

Omvänd elektrovätning kan användas för att skörda energi via ett mekaniskt-till-elektriskt system.

Elektrovätning på vätskeinfunderad film (EWOLF)

En annan elektrovätningskonfiguration är elektrovätning på vätskeinfunderad film. Den vätskeinfunderade filmen uppnås genom att låsa ett flytande smörjmedel i ett poröst membran genom den känsliga kontrollen av vätningsegenskaperna hos de flytande och fasta faserna. Genom att dra fördel av den försumbara kontaktledningsnålningen vid vätske-vätska-gränssnittet, kan droppresponsen i EWOLF adresseras elektriskt med förbättrad grad av omkopplingsbarhet och reversibilitet jämfört med den konventionella EWOD. Dessutom förbättrar infiltrationen av flytande smörjmedelsfas i det porösa membranet också effektivt den viskösa energiförlusten, undertrycker droppsvängningen och leder till snabb respons utan att offra den önskade reversibiliteten för elektrovätning. Samtidigt kan dämpningseffekten förknippad med EWOLF skräddarsys genom att manipulera viskositeten och tjockleken på flytande smörjmedel.

Opto- och fotoelektrovätning

Optoelektrovätning och fotoelektrovätning är båda optiskt inducerade elektrovätningseffekter. Optoelektrovätning innebär användning av en fotoledare medan fotoelektrovätning använder en fotokapacitans och kan observeras om ledaren i vätske-/isolator-/ledarstapeln som används för elektrovätning ersätts av en halvledare . Genom att optiskt modulera antalet bärare i rymdladdningsområde kan kontaktvinkeln för en vätskedroppe ändras på ett kontinuerligt sätt. Denna effekt kan förklaras av en modifiering av Young-Lippmann-ekvationen.

Material

Av skäl som fortfarande är under utredning uppvisar endast en begränsad uppsättning ytor det teoretiskt förutsagda elektrovätningsbeteendet. På grund av detta används alternativa material som kan användas för att belägga och funktionalisera ytan för att skapa det förväntade vätningsbeteendet. Till exempel är amorfa fluorpolymerer allmänt använda elektrovätande beläggningsmaterial, och det har visat sig att beteendet hos dessa fluorpolymerer kan förbättras genom lämplig ytmönstring. Dessa fluorpolymerer belägger den nödvändiga ledande elektroden, vanligtvis gjord av aluminiumfolie eller indiumtennoxid (ITO), för att skapa de önskade elektrovätningsegenskaperna. Tre typer av sådana polymerer finns kommersiellt tillgängliga: FluoroPel hydrofoba och superhydrofoba polymerer i V-serien säljs av Cytonix, CYTOP säljs av Asahi Glass Co. och Teflon AF säljs av DuPont . Andra ytmaterial som SiO2 och guld på glas har använts. Dessa material tillåter själva ytorna att fungera som jordelektroder för den elektriska strömmen.

Ansökningar

Elektrovätning används nu i ett brett spektrum av applikationer från modulära till justerbara linser, elektroniska displayer ( e-paper ), elektroniska utomhusdisplayer och switchar för optiska fibrer. Elektrovätning har nyligen framkallats för att manipulera mjukt material , särskilt för att undertrycka kaffefläckseffekt . Dessutom har filter med elektrovätningsfunktion föreslagits för att rengöra oljespill och separera olje-vattenblandningar.

Internationellt möte

Ett internationellt möte för elektrovätning hålls vartannat år. Det senaste mötet hölls den 18 till 20 juni 2018 vid University of Twente, Nederländerna.

De tidigare värdarna för elektrovätningsmötet är: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Angeles (2008), Pohang (2010), Aten (2012), Cincinnati (2014), Taipei (2016).

Se även

externa länkar