Электросмачивание - Electrowetting

Электросмачивание это модификация смачивание свойства поверхности (которая обычно гидрофобный ) с прикладной электрическое поле.

История

Электросмачивание Меркурий и другие жидкости на переменно заряженных поверхностях, вероятно, впервые было объяснено Габриэль Липпманн в 1875 г.[1] и, конечно, наблюдалось гораздо раньше. А. Н. Фрумкин использовал поверхностный заряд, чтобы изменить форму воды падает в 1936 г.[2] Термин электросмачивание был впервые введен в 1981 г. Дж. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа устройства отображения, на которое они получили 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 в рамках грантов NSF 8760730 и 8822197.[4] использование изолирующего диэлектрического и гидрофобного слоя (ов) (EWOD), несмешивающихся жидкостей, постоянного или высокочастотного питания; и массивы миниатюрных чередующихся электродов (зубьев пилы) с большими или совпадающими Оксид индия и олова (ITO) электроды для цифрового перемещения нанокапель по линейным, круговым и направленным путям, перекачивания или смешивания жидкостей, заполнения резервуаров и управления потоком жидкости электронным или оптическим способом. 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 неизолированного электрода позже было изучено Бруно Берге в 1993 году.[6] Электросмачивание этой поверхности с диэлектрическим покрытием 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] Электросмачивание наблюдается и при обратное смещение наносится на проводящую каплю (например, ртуть), которая была помещена непосредственно на поверхность полупроводника (например, кремния), чтобы сформировать Шоттки контакт в Диод Шоттки конфигурация электрической цепи - этот эффект получил название «электросмачивание Шоттки».[10]

Микрожидкостные манипуляции с жидкостями с помощью электросмачивания впервые были продемонстрированы на каплях ртути в воде.[11] а позже с водой в воздухе[7] и вода в масле.[12] Позже было продемонстрировано манипулирование каплями на двумерной траектории.[13][14]Если жидкость дискретизируется и управляется программно, подход называется «Цифровые микрожидкостные схемы».[15][16] или «Цифровая микрофлюидика».[17] Дискретизация путем электросмачивания диэлектрика (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Мун и Ким.[18]

Теория электросмачивания

Жидкость, изолятор, субстрат

Эффект электросмачивания был определен как «изменение твердойэлектролит угол контакта из-за примененного разность потенциалов между твердым телом и электролитом ». Явление электросмачивания можно понять с точки зрения сил, возникающих в результате приложенного электрического поля.[19][20] Бахромчатое поле в углах капли электролита имеет тенденцию стягивать 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 интерфейса определяется как Свободная энергия Гельмгольца требуется 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 конденсатор образуется 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 оно 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 интерфейса,рє0/ t, для однородного диэлектрика толщиной t и диэлектрической проницаемостьюр
- Действующее приложенное напряжение, интеграл электрического поля от электролита к проводнику

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

В угол контакта дается уравнением Юнга-Дюпре с единственной сложностью, заключающейся в том, что полная поверхностная энергия 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, нарушаются 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 смачивания 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).

Это также было экспериментально показано Шевалуа.[22] что насыщение краевого угла смачивания 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

Обратное электросмачивание[23] может использоваться для сбора энергии по схеме преобразования механики в электрическую.

Электросмачивание на жидкой пленке (EWOLF)

Другая конфигурация электросмачивания: 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. Более 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, управляя вязкостью и толщиной жидкой смазки.[24]

Опто- и фотоэлектросмачивание

Оптоэлектронное смачивание,[25][26] и фотоэлектросмачивание[27] оба являются оптически индуцированными эффектами электросмачивания. Оптоэлектронное смачивание предполагает использование фотопроводник тогда как фотоэлектросмачивание используют фотоемкость и может наблюдаться, если проводник в стопке жидкость / изолятор / проводник, используемый для электросмачивания, заменен на полупроводник. Путем оптической модуляции количества несущих в объемный заряд В области полупроводника краевой угол жидкой капли можно изменять непрерывно. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липпмана.

Материалы

По причинам, которые все еще исследуются, только ограниченный набор поверхностей демонстрирует теоретически предсказанное поведение электросмачивания. Из-за этого используются альтернативные материалы, которые можно использовать для покрытия и придания функциональности поверхности, чтобы добиться ожидаемого смачивания. Например, аморфный фторполимеры представляют собой широко используемые материалы для покрытия, наносимые методом электросмачивания, и было обнаружено, что поведение этих фторполимеров может быть улучшено за счет соответствующего поверхностного рисунка. Эти фторполимеры покрывают необходимый проводящий электрод, обычно сделанный из алюминиевой фольги или оксида индия-олова (ITO), для создания желаемых свойств электросмачивания.[28] Коммерчески доступны три типа таких полимеров: гидрофобные и супергидрофобные полимеры FluoroPel серии V продаются в Cytonix, CYTOP продается у Asahi Glass Co., а Teflon AF продается у 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

Электросмачивание теперь используется в широком диапазоне Приложения от модульных до регулируемых линз, электронных дисплеев (электронная бумага ), электронные наружные дисплеи и переключатели для оптических волокон. Электросмачивание в последнее время используется для манипулирования мягкое вещество в частности, подавление кофейное пятно эффект.[31] Кроме того, фильтры с функцией электросмачивания были предложены для очистки разливов нефти и разделения водно-масляных смесей.[32]

Международная встреча

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).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Габриэль Липпманн, «Отношения между электрическими феноменами и капиллярами». Анна. Чим. Phys, 5: 494, 1875.
  2. ^ Фрумкин А. 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. (1981-02-15). «Электросмачивающие дисплеи». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 38 (4): 207–209. Bibcode:1981АпФЛ..38..207Б. Дои:10.1063/1.92322. ISSN  0003-6951.
  4. ^ [1][постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-08. Получено 2009-11-14.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  6. ^ Б. Берже, "Электрокапилляры и пленочные изоляторы par l'eau", C.R. Acad. Sci. Париж, т. 317, Серия II, стр. 157-163, 1993.
  7. ^ а б Дж. Ли, "Микроактивация путем непрерывного электросмачивания и электросмачивания: теория, изготовление и демонстрация", докторская диссертация, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, 2000 г.
  8. ^ С. Арскотт «Электросмачивание и полупроводники», RSC Advances 4, 29223 (2014). Дои:10.1039 / C4RA04187A.
  9. ^ К. Пальма и Р. Диган «Электросмачивание полупроводников» Appl. Phys. Lett. 106, 014106 (2015). Дои:10.1063/1.4905348.
  10. ^ С. Арскотт и М. Годе "Электросмачивание на переходе жидкий металл-полупроводник" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). Дои:10.1063/1.4818715.
  11. ^ Дж. Ли и К.-Дж. Ким "Жидкостный микродвигатель с непрерывным электросмачиванием ", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Гейдельберг, Германия, январь 1998 г., стр. 538–543
  12. ^ Поллак, Майкл Дж .; 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:2000АпФЛ..77.1725П. Дои:10.1063/1.1308534. ISSN  0003-6951.
  13. ^ С.-К. Фан, П.-П. де Гусман и К.-Ж. Ким, "Управление EWOD капли 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, Orlando, FL, Jan. 2005, pp. 726–729.
  15. ^ К.-Дж. 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. ^ К.-Дж. 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, С.К .; 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. Дои:10.1109 / jmems.2002.807467. ISSN  1057-7157.
  19. ^ Chang, H.C .; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика. Издательство Кембриджского университета.
  20. ^ Кирби, Б. Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: перенос 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». Langmuir. 27 (10): 6031–6041. arXiv:1102.0791. Bibcode:2011arXiv1102.0791K. Дои:10.1021 / la2004326. ISSN  0743-7463. PMID  21510663.
  22. ^ Шевальо, Стефани; Койпер, Штейн; Хайкенфельд, Джейсон (2012). «Экспериментальная проверка инвариантности насыщения контактного угла электросмачивания» (PDF). Журнал адгезионных наук и технологий. Брилл. опережающий печать (опережающий печать): 1–22. Дои:10.1163 / 156856111x599580. ISSN  0169-4243. Архивировано из оригинал (PDF) 14 июля 2012 г.
  23. ^ Крупенкин, Том; Тейлор, Дж. Эшли (23.08.2011). «Обратное электросмачивание как новый подход к сбору энергии высокой мощности». Nature Communications. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (1): 448. Bibcode:2011НатКо ... 2..448K. Дои:10.1038 / ncomms1454. ISSN  2041-1723. ЧВК  3265368. PMID  21863015.
  24. ^ Хао, Чунлей; Лю, Яхуа; Чен, Сюэмэй; Он, Юньчэн; Ли, Цюшен; Li, K. Y .; Ван, Цзуанкай (30.10.2014). «Электросмачивание пленки, пропитанной жидкостью (EWOLF): полная обратимость и контролируемое подавление колебаний капель для быстрой оптической визуализации». Научные отчеты. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 4 (1): 6846. arXiv:1409.6989. Bibcode:2014НатСР ... 4Э6846Н. Дои:10.1038 / srep06846. ISSN  2045-2322. PMID  25355005.
  25. ^ Чиу, 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. Дои:10.1016 / s0924-4247 (03) 00024-4. ISSN  0924-4247.
  26. ^ Пак, Сун-Ён; Teitell, Michael A .; Чиу, Эрик П. Ю. (2010). «Одностороннее непрерывное оптоэлектросмачивание (SCOEW) для манипулирования каплями с помощью световых узоров». Лаборатория на чипе. Королевское химическое общество (RSC). 10 (13): 1655–61. Дои: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:2011НатСР ... 1Е.184А. Дои:10.1038 / srep00184. ISSN  2045-2322. PMID  22355699.
  28. ^ Ян, Чун-Гуан; Сюй, Чжан-Рун; Ван, Цзянь-Хуа (февраль 2010 г.). «Манипуляция каплями в микрофлюидных системах». Тенденции TrAC в аналитической химии. 29 (2): 141–157. Дои: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.). «Обратимое растекание капель в пленки на пропитанных смазкой поверхностях, вызванное электрическим полем». Письма по прикладной физике. 110 (12): 121603. Bibcode:2017АпФЛ.110л1603Б. Дои:10.1063/1.4978859.
  30. ^ а б Лу, Йи; Сур, Аритра; Pascente, Кармен; Ravi Annapragada, S .; Ruchhoeft, Пол; Лю, Донг (март 2017 г.). «Динамика движения капли при электросмачивании». Международный журнал тепломассообмена. 106: 920–931. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.10.040.
  31. ^ Х. Бурак Эрал, Д. Мампаллил, М. Х. Г. Дуитс, Ф. Мугеле «Подавление эффекта кофейных пятен: как контролировать самосборку коллоидов в испаряющихся каплях с помощью электросмачивания», Soft Matter, 2011, 7, 4954–4958, Дои: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, Дои:10.1039 / C0SM01403F
  33. ^ Международная конференция по электросмачиванию 2018

внешняя ссылка