La electrohidrodinámica ( EHD ), también conocida como electro-dinámica de fluidos ( EFD ) o electrocinética , es el estudio de la dinámica de fluidos cargados eléctricamente . [1] Es el estudio de los movimientos de partículas o moléculas ionizadas y sus interacciones con los campos eléctricos y el fluido circundante. El término puede considerarse sinónimo de la hidrodinámica electroestrictiva bastante elaborada . ESHD cubre los siguientes tipos de mecanismos de transporte de partículas y fluidos: electroforesis , electrocinesis, dielectroforesis ,electroósmosis y electrorrotación . En general, los fenómenos se relacionan con la conversión directa de energía eléctrica en energía cinética y viceversa .
En el primer caso, los campos electrostáticos conformados (ESF) crean presión hidrostática (HSP, o movimiento) en los medios dieléctricos . Cuando tales medios son fluidos , se produce un flujo . Si el dieléctrico es un vacío o un sólido , no se produce flujo. Dicho flujo puede dirigirse contra los electrodos , generalmente para mover los electrodos. En tal caso, la estructura móvil actúa como un motor eléctrico . Los campos prácticos de interés de EHD son el ionizador de aire común , los propulsores electrohidrodinámicos y los sistemas de refrigeración EHD.
En el segundo caso, ocurre lo contrario. Un flujo de medio alimentado dentro de un campo electrostático conformado agrega energía al sistema que es captada como una diferencia de potencial por los electrodos. En tal caso, la estructura actúa como un generador eléctrico .
Electroquinesis
La electrocinesis es el transporte de partículas o fluidos producido por un campo eléctrico que actúa sobre un fluido que tiene una carga móvil neta. (Ver -kinesis para una explicación y otros usos del sufijo -kinesis.) La electrokinesis fue observada por primera vez por Ferdinand Frederic Reuss durante 1808, en la electroforesis de partículas de arcilla. [2] El efecto también fue notado y publicitado en la década de 1920 por Thomas Townsend Brown. al que llamó efecto Biefeld-Brown , aunque parece haberlo identificado erróneamente como un campo eléctrico que actúa sobre la gravedad. [3] El caudal en tal mecanismo es lineal en el campo eléctrico . La electrocinesis es de considerable importancia práctica en microfluídica , [4] [5] [6] porque ofrece una forma de manipular y transportar fluidos en microsistemas utilizando solo campos eléctricos, sin partes móviles.
La fuerza que actúa sobre el fluido viene dada por la ecuación
dónde, es la fuerza resultante, medida en newtons ,es la corriente, medida en amperios , es la distancia entre electrodos, medida en metros, y es el coeficiente de movilidad iónica del fluido dieléctrico, medido en m 2 / (V · s).
Si los electrodos pueden moverse libremente dentro del fluido, mientras mantienen su distancia fija entre sí, entonces dicha fuerza impulsará los electrodos con respecto al fluido.
La electrocinesis también se ha observado en biología, donde se descubrió que causa daño físico a las neuronas al incitar el movimiento en sus membranas. [7] [8] Se discute en "Carga fija en la membrana celular" de RJElul (1967).
Electrocinética del agua
En octubre de 2003, el Dr. Daniel Kwok, el Dr. Larry Kostiuk y dos estudiantes graduados de la Universidad de Alberta discutieron un método de conversión de energía hidrodinámica en eléctrica mediante la explotación de las propiedades electrocinéticas naturales de un líquido como el agua corriente del grifo , bombeando fluidos a través de minúsculos microcanales con diferencia de presión. [9] Esta tecnología podría algún día proporcionar un dispositivo de almacenamiento de energía práctico y limpio, reemplazando las baterías actuales, para dispositivos como teléfonos móviles o calculadoras que se cargarían simplemente bombeando agua a alta presión . A continuación, se liberaría presión a demanda, para que el flujo de fluido tuviera lugar sobre los microcanales. Cuando el agua viaja o fluye sobre una superficie, los iones de los que se forma el agua se "frotan" contra el sólido, dejando la superficie ligeramente cargada. La energía cinética de los iones en movimiento se convertiría así en energía eléctrica. Aunque la potencia generada por un solo canal es extremadamente pequeña, se pueden utilizar millones de microcanales paralelos para aumentar la potencia de salida. Este potencial de flujo de agua, fenómeno de flujo de agua, fue descubierto en 1859 por el físico alemán Georg Hermann Quincke . [ cita requerida ] [5] [6] [10]
Inestabilidades electrocinéticas
Los flujos de fluido en dispositivos de microfluidos y nanofluidos son a menudo estables y fuertemente amortiguados por fuerzas viscosas (con números de Reynolds de orden unitario o menores). Sin embargo, los campos de conductividad iónica heterogéneos en presencia de campos eléctricos aplicados pueden, bajo ciertas condiciones, generar un campo de flujo inestable debido a inestabilidades electrocinéticas (EKI) . Los gradientes de conductividad prevalecen en los procesos electrocinéticos en el chip, como los métodos de preconcentración (por ejemplo, apilamiento de muestras amplificadas en campo y enfoque isoeléctrico ), ensayos multidimensionales y sistemas con una química de muestra mal especificada. La dinámica y la morfología periódica de las inestabilidades electrocinéticas son similares a las de otros sistemas con inestabilidades de Rayleigh-Taylor . El caso particular de una geometría plana con inyección de iones homogéneos en la parte inferior conduce a un marco matemático idéntico a la convección de Rayleigh-Bénard .
Los EKI se pueden aprovechar para una mezcla rápida o pueden causar una dispersión no deseada en la inyección, separación y apilado de muestras. Estas inestabilidades son causadas por un acoplamiento de campos eléctricos y gradientes de conductividad iónica que resulta en una fuerza del cuerpo eléctrico. Este acoplamiento da como resultado una fuerza del cuerpo eléctrico en el líquido a granel, fuera de la doble capa eléctrica , que puede generar inestabilidades de flujo temporales, convectivas y absolutas. Los flujos electrocinéticos con gradientes de conductividad se vuelven inestables cuando el estiramiento y plegado electroviscosos de las interfaces de conductividad crece más rápido que el efecto disipativo de la difusión molecular.
Dado que estos flujos se caracterizan por velocidades bajas y escalas de longitud pequeñas, el número de Reynolds está por debajo de 0.01 y el flujo es laminar . El inicio de la inestabilidad en estos flujos se describe mejor como un "número de Rayleigh" eléctrico.
Misc
Los líquidos se pueden imprimir a nanoescala mediante pyro-EHD. [11]
Ver también
- Accionamiento magnetohidrodinámico
- Magnetohidrodinámica
- Electropulverización
- Fenómenos electrocinéticos
- Optoelectrofluidos
- Precipitador electroestático
Referencias
- ^ Castellanos, A. (1998). Electrohidrodinámica .
- ^ Pared, Staffan. "La historia de los fenómenos electrocinéticos". Opinión actual en ciencia coloide e interfaz 15.3 (2010): 119-124.
- ^ Thompson, Clive (agosto de 2003). "El subterráneo de Antigravity" . Revista cableada .
- ^ Chang, HC; Yeo, L. (2009). Microfluídicos y nanofluídicos impulsados electrocinéticamente . Prensa de la Universidad de Cambridge .
- ^ a b Kirby, BJ (2010). Mecánica de fluidos a micro y nanoescala: transporte en dispositivos microfluídicos . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^ a b Bruus, H. (2007). Microfluídica teórica . Prensa de la Universidad de Oxford .
- ^ Patterson, Michael; Kesner, Raymond (1981). Técnicas de investigación de estimulación eléctrica . Prensa académica . ISBN 0-12-547440-7.
- ^ Elul, RJ (1967). Carga fija en la membrana celular .
- ^ Yang, Jun; Lu, Fuzhi; Kostiuk, Larry W .; Kwok, Daniel Y. (1 de enero de 2003). "Batería de microcanal electrocinético mediante fenómenos electrocinéticos y microfluídicos". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 13 (6): 963–970. Código bibliográfico : 2003JMiMi..13..963Y . doi : 10.1088 / 0960-1317 / 13/6/320 .
- ^ Levich, VI (1962). Hidrodinámica fisicoquímica .
- ^ Ferraro, P .; Coppola, S .; Grilli, S .; Paturzo, M .; Vespini, V. (2010). "Dispensación de nano-pico gotitas y patrón líquido por disparo piroelectrodinámico". Nanotecnología de la naturaleza . 5 (6): 429. Bibcode : 2010NatNa ... 5..429F . doi : 10.1038 / nnano.2010.82 . PMID 20453855 .
enlaces externos
- Sitio web del Dr. Larry Kostiuk .
- Artículo científico-diario sobre el descubrimiento .
- Artículo de la BBC con gráficos .