Para saintis Rusia telah mencipta teori umum aliran bendalir dalam mikrochannel di bawah pengaruh medan elektrik • Taras Molotilin • Berita sains mengenai "Unsur" • Hydrodynamics, Sains di Rusia, Nanoteknologi, Fizik

Para saintis Rusia telah mencipta teori umum aliran bendalir dalam mikrochannel di bawah tindakan medan elektrik.

Rajah. 1. Profil aliran bendalir di bawah tindakan medan elektrik, yang diperolehi dalam percubaan komputer. Elemen bendalir ditandakan biru, ion garam – merah dan hitam. Kuning unsur-unsur di hadapan aliran disorot (dia sendiri digambarkan garis putih). Anak panah nyatakan arah dan magnitud halaju bendalir. Perlu diperhatikan bahawa tuduhan dalam lapisan yang sangat nipis di dinding saluran bergerak ke arah yang bertentangan: kesan ini sebelum ini menimbulkan persoalan, tetapi teori baru menerangkannya sepenuhnya. Imej dari idw-online.de

Sekumpulan ahli fizik teori di bawah pimpinan Olga Vinogradova, seorang profesor fizik di Universiti Negeri Moscow dan ketua makmal di Institut Kimia Fizikal Akademi Sains Rusia, mencipta teori aliran aliran cecair dalam mikro dan nanochannels di bawah pengaruh medan elektrik. Mengambil asas teori klasik elektroosmosis Smoluchowski, saintis mencadangkan keadaan sempadan baru yang mengambil kira pergerakan caj pada permukaan cecair gas. Ini membolehkan untuk menerangkan keputusan eksperimen pada elektroosmosis buih, yang bercanggah dengan teori-teori awal. Dari hasil kerja itu juga mengikuti rumusan baru konsep "Zeta-potensial", yang memainkan peranan besar dalam kimia koloid dan fizik, serta dalam nanoteknologi.

Aliran cairan dalam saluran nipis

Makna kerja baru ini dapat difahami dengan baik dengan mengkaji salah satu bahagian yang paling dinamik dari nanoteknologi moden – mikro dan nanofluidik. Bahagian ini berkaitan dengan kajian, reka bentuk dan penciptaan peranti, di mana sejumlah besar saluran mikro dan nano untuk cecair diletakkan, dengan cara yang sama seperti litar tembaga yang menghubungkan cip elektronik diletakkan pada mikrosirkuit. Skop peranti mikrofluidik cukup lebar; khususnya, semakin banyak perhatian kini dibayar kepada penciptaan makmal pada cip. Peranti ini, saiz jam tangan, membolehkan analisis kimia dan biologi dijalankan dengan kelajuan dan kecekapan yang tiada tandingannya. Oleh itu, sebuah makmal mudah alih boleh, berdasarkan satu setitik darah, melakukan pada masa yang sama lebih daripada sedozen analisis dan segera mengeluarkan hasilnya.

Salah satu masalah utama yang timbul daripada penggunaan peranti mikrofluidik adalah berkaitan dengan hidrodinamika: apabila bergerak dari makrochannels (paip air, misalnya) kepada mikro dan, lebih-lebih lagi, nanocanals, tingkah laku cecair dalam sistem sedemikian berubah secara dramatik.Akibat daripada ini adalah mustahil cecair mengepam melalui saluran saiz susunan mikron dan kurang dengan bantuan pam tradisional: kerana rintangan likat, tekanan yang besar mesti digunakan, yang menjadikannya mustahil untuk mensaturkan peranti tersebut. Terdapat dua cara utama untuk menyelesaikan masalah ini: (1) mengurangkan rintangan likat akibat dinding "licin" saluran atau (2) menggunakan prinsip yang sama sekali berbeza untuk menghasilkan arus, khususnya penggunaan elektroosmosis.

Electroosmosis

Hampir selalu, antara muka pepejal cecair dikenakan: kehadiran kekotoran dan kekotoran, pemisahan kumpulan permukaan – semua ini membawa kepada kemunculan kepadatan permukaan cas elektrik. Sekiranya bahan-elektrolit (contohnya, garam) dibubarkan dalam cecair, maka ion yang dikenakan akan berinteraksi dengan permukaan – ini adalah akibat langsung dari undang-undang Coulomb. Sebaiknya, lapisan ion nipis perlu dipasang pada dinding, caj yang betul-betul mengimbangi cas dinding. Bagaimanapun, disebabkan oleh gerakan ion Brown dalam cecair, lapisan ini kabur kepada ketebalan ciri λDyang ketara lebih besar daripada saiz satu ion (Rajah 2).Lapisan sedemikian dikenali sebagai "lapisan menyeberang" atau "lapisan Debye", dan ketebalan cirinya dipanggil panjang Debye, dinamakan untuk Peter Debye, yang secara teori menggambarkan strukturnya. Lapisan Debye dikatakan "skrin" caj permukaan, supaya pada jarak lebih besar daripada λD kesan cas dinding pada cecair boleh diabaikan. Nilai ciri λD – puluhan nanometer, oleh itu, dalam saluran mengenai tebal milimeter dan lebih banyak caj dinding mempunyai sedikit kesan pada sebahagian besar cecair.

Rajah. 2 Struktur skematik saluran mikro. Tuduhan tetap pada dinding hidrofilik yang lebih rendah. q1yang dilindungi oleh ion-ion tanda bertentangan, terletak di lapisan tebal tebal λD. Dinding bertentangan adalah hidrofobik, di dekatnya lapisan nipis dibentuk dengan ketebalan ddi mana caj mudah alih terletak q2. Mereka juga dilindungi oleh lapisan kaunter. Et – kekuatan medan elektrik. Gambar dari artikel dibincangkan di Fiz. Wahyu Lett.

Walau bagaimanapun, terdapat satu cara untuk memperluaskan pengaruh lapisan meresap jauh melebihi batasnya: kumpulan fenomena fizikal ini disebut elektrokinetik. Mereka didasarkan pada hakikat bahawa lapisan tersebar adalah lapisan bendalir cecair yang nipis yang boleh ditetapkan dalam gerakan jika medan elektrik luaran digunakan di sepanjang dinding saluran.Cecair likat akan mempercepatkan lapisan dalam lapisan tersebar, dan kemudian mula dibawa walaupun sebahagian cecair yang tidak dikenakan. Kejadian ini disebut elektroosmosis. Oleh itu, adalah mungkin untuk mendapatkan aliran di dalam mikro dan nanochannels tanpa pam, yang menghasilkan penurunan tekanan. Ciri ciri aliran tersebut adalah profil halaju rata bendalir: ia mengalir di hadapan tunggal, tanpa halaju maksimum di tengah saluran.

Pada awal abad ke-19, elektroosmos telah ditemui secara eksperimen oleh seorang profesor Rusia asal Jerman F. F. Reuss. Selepas 100 tahun, fenomena ini secara teorinya diterangkan oleh Marian Smolukhovsky. Dia menunjukkan bahawa kelajuan aliran elektroosmotik berkadaran dengan medan luaran dan kepadatan daya permukaan dan berkadar songsang dengan kelikatan cecair dan ketebalan lapisan meresap. Untuk masa yang lama, formula Smoluchowski kekal praktikal satu-satunya cara yang boleh diterima dan secara amnya menerangkan data eksperimen mengenai proses elektroosmotik. Walau bagaimanapun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, satu arah baru dalam hidrodinamika mikro dan nanoprocesses, slip hidrofobik dan superhidrofobik, telah mula aktif berkembang.Dalam sistem sedemikian, rumus Smoluchowski tidak lagi memberikan penerangan yang lengkap, yang menimbulkan tugas baru bagi ahli teori.

Slip hidrodinamik

Bukan sahaja elektrostatik, tetapi juga keadaan hidrodinamik khas timbul berhampiran permukaan pepejal. Khususnya, model klasik menggambarkan kes apabila halaju cecair di dinding adalah sifar (yang dipanggil "keadaan melekat"). Oleh itu, profil halaju parabola yang terkenal timbul dalam aliran di bawah tindakan penurunan tekanan. Keadaan melekat berlaku untuk permukaan hidrofilik yang berinteraksi dengan kuat dengan molekul. Terdapat keadaan sempadan yang lain – apabila halaju di dinding tidak nol (model ini dicadangkan pada abad ke-19 oleh Henri Navier). Dalam sistem sedemikian, konsep "slip slip" diperkenalkan. b: jika profil halaju diteruskan di dalam permukaan, maka pada kedalaman b kelajuan akan mencapai sifar (rajah 3).

Rajah. 3 Variasi tingkah laku bendalir berhampiran antara muka. Kelabu secara skematik menunjukkan dinding kawasan putih di atasnya adalah medium cecair. Apabila melekat, halaju cecair di dinding adalah sifar dan secara beransur-ansur bertambah dengan jarak daripadanya. Apabila gelongsor, cecair berhampiran dinding bergerak pada kelajuan bukan sifar.

Permukaan yang mana b ≠ 0 dipanggil licin. Alasannya biasanya terdapat kehadiran "kusyen gas" di antara cecair dan pepejal (O. Vinogradova, 1995. Saliran Filem Cecair Nipis Terhadap Permukaan Hydrophobic). Ia timbul kerana ciri kimia bahan (hidrofobisiti). Atas sebab yang sama, slip hidrodinamik adalah ciri busa: di dalamnya badan padat tidak ada, dan peranannya dimainkan oleh gelembung gas. Dalam semua kes ini, slip di antara muka membolehkan peningkatan jumlah aliran bendalir melalui saluran. Selain itu, pendekatan ini sah untuk kedua-dua aliran "semulajadi hidrodinamik", dan untuk elektroosmosis.

1 + 1 = 2?

Gabungan elektroosmosis dan slip hidrofobik boleh sangat berguna untuk keperluan mikro dan nanofluidik, kerana ia akan meningkatkan kadar aliran dalam saluran nipis dan mengurangkan penggunaan tenaga untuk mengepam cecair dalam peranti sedemikian, yang sangat diperlukan dalam perlumbaan untuk pengintegrasian. Walau bagaimanapun, masalah kekal: penerangan tentang aliran tersebut tidak lagi mungkin dalam rangka teori Smoluchowski.

Perakaunan untuk slip hidrofobik dalam derivasi formula Smoluchowski membawa kepada penampilan pembetulan mudah kepada magnitud halaju aliran: U(1 + bD) di mana U – kadar aliran awal (V. Muller, I. Sergeeva, V. Sobolev, N. Churaev 1986. kesan Boundary dalam teori fenomena elektrokinetik). Sejak nilai ciri b dan λD – berpuluh-puluh nanometer, formula ini meningkat halaju bendalir (kadang-kadang walaupun beberapa kali). Penjelasan ini adalah betul untuk eksperimen pada electroosmosis licin berhampiran permukaan pepejal tetapi aliran yang sama dalam buih dipamerkan hasil yang berbeza (kadar proses ini adalah jauh berbeza daripada ramalan teori).

Teori baru

Kerja-kerja yang dilakukan dalam kumpulan Olga Vinogradova, kesimpulan khusus ditambah teori aliran electroosmotic pada permukaan licin, sama ada gas atau dinding yang kukuh. Idea asas pengarang berdasarkan hujah berikut: Dalam teori Smoluchowski, walaupun dengan caj permukaan slip hidrofobik yang dianggap tegar tetap. Ini adalah jelas untuk pepejal hidrofilik, tetapi berapa banyak ini benar untuk gas? Apa yang boleh "memegang" caj di permukaannya? Selain itu, jika slaid berhampiran dinding pepejal adalah juga disebabkan oleh kehadiran kusyen gas, ia adalah mungkin untuk mempertimbangkan caj permukaan tetap? Untuk teori untuk mengambil kira isu-isu iniPara saintis telah merumuskan keadaan sempadan baru untuk halaju cecair di antara muka, yang mengambil kira kedua-dua slip cecair dan mobiliti caj permukaan itu sendiri.

Rajah. 4 Profail halaju cecair yang dimodelkan dalam saluran dengan keadaan hidrodinamik yang berbeza. Paksi Abscissa jarak dari dinding hidropilik "kiri" saluran (ia sepadan dengan 0) ke dinding "betul" (padanya sepadan dengan 1), keadaan yang telah berubah (H – lebar saluran, z – offset). Kalangan – dinding yang betul adalah hydrophilic (kayu cecair); dataran – dinding yang betul licin, tetapi caj di atasnya tetap; segi tiga – dinding yang betul licin dan caj di atasnya bergerak, dalam hal ini dapat dilihat bahwa aliran terjadi pada arah yang bertentangan di dinding. Paksi Y kuantiti tak berdimensi didepositkan – nisbah halaju sebenar cecair ke halaju cecair, yang akan diperhatikan di tengah saluran semasa Smoluchowski dengan dua dinding hidrofilik dengan cas yang sama. Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu Lett.

Berdasarkan keadaan sempadan ini, penulis memperoleh beberapa ungkapan analisis untuk halaju aliran elektroosmotik berhampiran permukaan licin.Mereka menunjukkan bahawa untuk badan yang padat, apabila caj itu ditetapkan, teori mereka dikurangkan kepada formula Smoluchowski atau formula dari artikel V. Muller, I. Sergeeva, V. Sobolev, N. Churaev, 1986. Kesan sempit dalam teori fenomena elektrokinetik. Walau bagaimanapun, untuk arus berhampiran interlayer gas, pergantungan halaju pada caj dan panjang slip mempunyai bentuk yang sedikit berbeza. Ini menjelaskan, terutamanya, eksperimen mengenai elektroosmosis dalam buih dan filem nipis di permukaan pepejal, di mana salah satu "dinding" saluran itu adalah gas. Teori baru dengan jelas menunjukkan bahawa aliran dalam sistem sedemikian tidak dapat digambarkan dalam rangka teori Smoluchowski klasik.

Rajah. 5 Profil halaju cecair yang dimodelkan dalam saluran simetri pada panjang slip yang berbeza b. Menyelaras paksi sama seperti di rajah. 4 Pada plot serpihan atas slip adalah terhingga. Segitiga hitam hasilnya ditunjukkan dengan kemerosotan tak terhingga: aliran bendalir di tengah saluran boleh dibendung secara praktikal. Imej dari artikel dalam perbincangan Fiz. Wahyu Lett.

Keputusan yang diperoleh bukan hanya titik i dalam perihalan eksperimen lama. Mereka membolehkan anda melihat wajah penyelidikan baru.Oleh itu, simulasi komputer, yang dicontohi oleh pengarang hasil analisa yang diperoleh, membolehkan mereka membuat beberapa sistem di mana bendalir berkelakuan agak tanpa diduga. Sebagai contoh, dalam hal electroosmosis dalam saluran di mana cajnya mudah alih, dan kedua-dua dinding adalah licin, aliran keseluruhan bendalir menjadi sifar: di tengah saluran aliran cecair sangat perlahan dalam satu arah, dan di sekeliling dinding – sangat cepat di sisi lain. Dalam kes lain, disebabkan oleh gelongsor di dinding, penulis berjaya mencipta aliran elektroosmotik berhampiran permukaan yang belum dicairkan.

Penulis juga membincangkan definisi konsep potensi Zeta (lihat: potensi zeta), salah satu parameter utama dalam kimia koloid, nanoteknologi, fizik dan kimia "media lembut". Potensi Zeta adalah saiz ciri permukaan saluran atau zarah koloid, yang menentukan bagaimana mereka berinteraksi antara satu sama lain, seberapa stabil suspensi mereka, bagaimana mereka bergerak di bawah pengaruh medan luaran. Parameter ini digunakan secara meluas oleh ahli kimia dan ahli fizik eksperimen, terdapat banyak instrumen komersial yang membolehkan untuk mengukurnya dalam eksperimen yang rutin.

Masalahnya adalah bahawa definisi potensi zeta diperkenalkan, sebenarnya, dalam rangka teori Smoluchowski: ini adalah kuantiti yang menentukan kelajuan elektroosmosis. Dengan mencadangkan teori baru, saintis dari kumpulan Vinogradova pada masa yang sama menukarkan semula tanggapan potensi zeta, yang kini membolehkannya ditafsirkan dalam fenomena kelas yang lebih luas.

Sumber: S. R. Maduar, A. V. Belyaev, V. Lobaskin dan O. I. Vinogradova. Electrohydrodynamics Near Hydrophobic Surfaces // Fiz. Wahyu Lett. 2015. V. 114 (11). P. 118301 (5). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.114.118301.

Taras Molotilin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: