Электросмачивание - Electrowetting

Электросмачивание - это изменение смачивающих свойств поверхности (которая обычно является гидрофобной ) с помощью приложенного электрического поля .

История

Электросмачивание ртути и других жидкостей на поверхности с переменным зарядом, вероятно, было впервые объяснено Габриэлем Липпманом в 1875 году и, безусловно, наблюдалось гораздо раньше. А. Н. Фрумкин использовал поверхностный заряд для изменения формы капель воды в 1936 году. Термин электросмачивание был впервые введен в 1981 г. Г. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа устройства отображения, на которое они получили патент. . 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 грантами NSF 8760730 и 8822197 с использованием изолирующего диэлектрического и гидрофобного слоя (слоев) ( EWOD), несмешивающиеся жидкости, постоянный или высокочастотный ток; и массивы миниатюрных чередующихся (зубчатых) электродов с большими или соответствующими электродами из оксида индия и олова (ITO) для цифрового перемещения нанокапель по линейным, круговым и направленным траекториям, перекачивания или смешивания жидкостей, заполнения резервуаров и электронного или оптического управления потоком жидкости. 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.

Электросмачивание с использованием изолирующего слоя поверх голого электрода было позже изучено Бруно Берге в 1993 году. Электросмачивание на этой покрытой диэлектриком поверхности называется электросмачиванием на диэлектрике (EWOD), чтобы отличить его от обычного электросмачивания на неизолированном электроде. Электросмачивание можно продемонстрировать, заменив металлический электрод в системе EWOD на полупроводник . Электросмачивания также наблюдается , когда обратное смещение применяется к проводящей капле (например , ртуть) , который был помещен непосредственно на поверхность полупроводника (например , кремний) , чтобы сформировать контакт Шоттки в диоде Шотки конфигурации электрической цепи - этот эффект был назван " Электросмачивание Шоттки ».

Микрожидкостные манипуляции с жидкостями с помощью электросмачивания были продемонстрированы сначала с каплями ртути в воде, а затем с водой в воздухе и водой в масле. Позже было продемонстрировано управление каплями на двумерной траектории. Если жидкость дискретизируется и управляется программно, подход называется «Цифровые микрофлюидные схемы» или «Цифровая микрофлюидика». Дискретизация посредством электросмачивания диэлектрика (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Мун и Ким.

Теория электросмачивания

Электросмачивания эффект был определен как «изменение твердофазного электролита угла контакта за счетом приложенной разности потенциалов между твердым и электролитом». Явление электросмачивания можно понять с точки зрения сил, возникающих в результате приложенного электрического поля. Бахромчатое поле в углах капли электролита имеет тенденцию тянуть 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 границы раздела определяется как свободная энергия Гельмгольца, необходимая 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 конденсаторе, образованном 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 она влияет на локальную кривизну капли, такие решения сложны с математической и вычислительной точек зрения. Термодинамический вывод происходит следующим образом. Определение соответствующих поверхностных натяжений как:

${\ Displaystyle \ gamma _ {WS} \,}$ - Общее электрическое и химическое поверхностное натяжение между электролитом и проводником.

${\ Displaystyle \ gamma _ {WS} ^ {0} \,}$ - Поверхностное натяжение между электролитом и проводником при нулевом электрическом поле

${\ displaystyle \ gamma _ {s} \,}$ - Поверхностное натяжение между проводником и внешней средой

${\ displaystyle \ gamma _ {w} \,}$ - Поверхностное натяжение между электролитом и внешней средой

${\ displaystyle \ theta}$ - Макроскопический контактный угол между электролитом и диэлектриком.

${\ displaystyle C}$ - Емкость границы раздела, _r є ₀ / t, для однородного диэлектрика толщиной t и диэлектрической проницаемостью є _r

${\ displaystyle V}$ - Действующее приложенное напряжение, интеграл электрического поля от электролита к проводнику

Связав общее поверхностное натяжение с его химическими и электрическими компонентами, получаем:

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

Угол контакта задается уравнением Янга-Дюпре, с единственным осложнением в том , что полная энергия поверхности используется: ${\ displaystyle \ gamma _ {ws}}$

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

Объединение двух уравнений дает зависимость θ от эффективного приложенного напряжения как:

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

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, возмущаются индуцированным зарядом. Итак, полное объяснение электросмачивания не определено количественно, но не следует удивляться, что эти ограничения существуют.

Недавно это было показано Кларманом и др. 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).

Шевалуа также экспериментально показал, что насыщение краевого угла смачивания инвариантно для всех параметров материалов, тем самым 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 можно использовать для сбора энергии по схеме преобразования механики в электротехнику.

Электросмачивание на жидкой пленке (EWOLF)

Другой способ электросмачивания - это 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. Кроме 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.

Опто- и фотоэлектросмачивание

Оптоэлектросмачивание и фотоэлектросмачивание являются оптически индуцированными эффектами электросмачивания. Оптоэлектросмачивание включает использование фотопроводника, тогда как фотоэлектросмачивание использует фотоемкость и может наблюдаться, если проводник в стопке жидкость / изолятор / проводник, используемой для электросмачивания, заменен полупроводником . Путем оптической модуляции количества носителей в области пространственного заряда полупроводника можно непрерывно изменять угол смачивания жидкой капли. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липпмана.

Материалы

По причинам, которые все еще исследуются, только ограниченный набор поверхностей демонстрирует теоретически предсказанные свойства электросмачивания. Из-за этого используются альтернативные материалы, которые можно использовать для покрытия и придания функциональности поверхности, чтобы обеспечить ожидаемое поведение при смачивании. Например, аморфные фторполимеры являются широко используемыми материалами для покрытия, наносимыми электросмачиванием, и было обнаружено, что поведение этих фторполимеров может быть улучшено за счет соответствующего формирования рисунка на поверхности. Эти фторполимеры покрывают необходимый проводящий электрод, обычно сделанный из алюминиевой фольги или оксида индия-олова (ITO), для создания желаемых свойств электросмачивания. Коммерчески доступны три типа таких полимеров: гидрофобные и супергидрофобные полимеры FluoroPel серии V продаются Cytonix , CYTOP продаются Asahi Glass Co. , а Teflon AF продаются DuPont . Были использованы другие поверхностные материалы, такие как SiO2 и золото на стекле. Эти материалы позволяют самим поверхностям действовать как заземляющие электроды для электрического тока.

Приложения

Электросмачивание в настоящее время используется в широком диапазоне применений: от модульных до регулируемых линз, электронных дисплеев ( электронная бумага ), электронных наружных дисплеев и переключателей для оптических волокон. Электросмачивание в последнее время используется для манипулирования мягкими веществами, в частности, для подавления эффекта кофейных пятен . Кроме того, были предложены фильтры с функцией электросмачивания для очистки разливов нефти и разделения водно-масляных смесей.

Международная встреча

Каждые два года проводится международное собрание по электросмачиванию. Последняя встреча прошла 18-20 июня 2018 г. в Университете Твенте, Нидерланды.

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

• Микрофлюидика
• Смачивание
• Мягкая материя
• Переход металл-полупроводник

Рекомендации

Внешние ссылки

• Fan-TASY Lab в Национальном университете Тайваня
• Wheeler Digital Microfluidics Group при Университете Торонто
• Электросмачивание в Университете Цинциннати.
• Цифровая микрофлюидика в Университете Дьюка
• Физика сложных жидкостей в Университете Твенте
• Схема, поясняющая электросмачивание
• Прогресс в области электросмачивания дисплеев
• Гибкий дисплей с электросмачиванием в UC NanoLab, Университет Цинциннати
• 6,2-дюймовый дисплей Liquidvista с низкочастотным электросмачиванием
• Полная разработка систем и устройств со специализацией на прототипировании электросмачивания. Сотрудничество с Университетом Цинциннати.