El flujo electroosmótico (o flujo electroosmótico , a menudo abreviado EOF ; sinónimo de electroósmosis o electroendosmosis ) es el movimiento del líquido inducido por un potencial aplicado a través de un material poroso, tubo capilar, membrana, microcanal o cualquier otro conducto de fluido. Debido a que las velocidades electroosmóticas son independientes del tamaño del conducto, siempre que la doble capa eléctrica sea mucho más pequeña que la escala de longitud característica del canal, el flujo electroosmótico tendrá poco efecto. El flujo electroosmótico es más significativo cuando se encuentra en canales pequeños. El flujo electroosmótico es un componente esencial en las técnicas de separación química, en particular la electroforesis capilar.. El flujo electroosmótico puede ocurrir en agua natural sin filtrar, así como en soluciones tamponadas .
Historia
El flujo electroosmótico fue informado por primera vez en 1807 por Ferdinand Friedrich Reuss (18 de febrero de 1778 (Tübingen, Alemania) - 14 de abril de 1852 (Stuttgart, Alemania)) [1] en una conferencia inédita ante la Sociedad Médico-Física de Moscú; [2] Reuss publicó por primera vez un relato del flujo electro-osmótico en 1809 en las Memorias de la Sociedad Imperial de Naturalistas de Moscú . [3] [4] Demostró que se podía hacer que el agua fluyera a través de un tapón de arcilla aplicando un voltaje eléctrico. La arcilla está compuesta de partículas muy compactas de sílice y otros minerales, y el agua fluye a través de los espacios estrechos entre estas partículas tal como lo haría a través de un tubo de vidrio estrecho. Cualquier combinación de un electrolito (un fluido que contiene iones disueltos) y un sólido aislante generaría un flujo electro-osmótico, aunque para el agua / sílice el efecto es particularmente grande. Aun así, las velocidades de flujo suelen ser de solo unos pocos milímetros por segundo.
La electroósmosis fue descubierta de forma independiente en 1814 por el químico inglés Robert Porrett Jr. (1783-1868). [5] [6]
Causa
El flujo electroosmótico es causado por la fuerza de Coulomb inducida por un campo eléctrico sobre la carga eléctrica móvil neta en una solución. Debido a que el equilibrio químico entre una superficie sólida y una solución de electrolito generalmente conduce a que la interfaz adquiera una carga eléctrica fija neta, se forma una capa de iones móviles, conocida como capa doble eléctrica o capa de Debye, en la región cercana a la interfaz. Cuando se aplica un campo eléctrico al fluido (generalmente a través de electrodos colocados en las entradas y salidas), la carga neta en la doble capa eléctrica es inducida a moverse por la fuerza de Coulomb resultante. El flujo resultante se denomina flujo electroosmótico.
Descripción
El flujo resultante de aplicar un voltaje es un flujo de tapón . A diferencia de un flujo de perfil parabólico generado a partir de un diferencial de presión, el perfil de velocidad de un flujo de pistón es aproximadamente plano, con una ligera variación cerca de la doble capa eléctrica. Esto ofrece efectos dispersivos significativamente menos perjudiciales y se puede controlar sin válvulas, lo que ofrece un método de alto rendimiento para la separación de fluidos, aunque muchos factores complejos demuestran que este control es difícil. Debido a las dificultades para medir y monitorear el flujo en los canales de microfluidos, que alteran principalmente el patrón de flujo, la mayoría de los análisis se realizan mediante métodos numéricos y simulación. [7]
El flujo electroosmótico a través de microcanales se puede modelar a partir de la ecuación de Navier-Stokes con la fuerza impulsora derivada del campo eléctrico y el diferencial de presión. Por tanto, se rige por la ecuación de continuidad
e impulso
donde U es el vector de velocidad, ρ es la densidad del fluido,es la derivada del material , μ es la viscosidad del fluido, ρ e es la densidad de carga eléctrica, Φ es el campo eléctrico aplicado, ψ es el campo eléctrico debido al potencial zeta en las paredes yp es la presión del fluido.
La ecuación de Laplace puede describir el campo eléctrico externo
mientras que el potencial dentro de la doble capa eléctrica se rige por
donde ε es la constante dieléctrica de la solución de electrolito y ε 0 es la permitividad de vacío . Esta ecuación se puede simplificar aún más utilizando la aproximación de Debye-Hückel
donde 1 / k es la longitud de Debye , que se utiliza para describir el espesor característico de la doble capa eléctrica. Las ecuaciones para el campo potencial dentro de la doble capa se pueden combinar como
Aplicaciones
El flujo electro-osmótico se usa comúnmente en dispositivos de microfluidos , [8] [9] análisis y procesamiento de suelos, [10] y análisis químicos, [11] todos los cuales involucran rutinariamente sistemas con superficies altamente cargadas, a menudo de óxidos . Un ejemplo es la electroforesis capilar , [9] [11] en la que se utilizan campos eléctricos para separar los productos químicos de acuerdo con su movilidad electroforética mediante la aplicación de un campo eléctrico a un capilar estrecho, generalmente hecho de sílice . En las separaciones electroforéticas, el flujo electroosmótico afecta el tiempo de elución de los analitos.
El flujo electro-osmótico se activa en un FlowFET para controlar electrónicamente el flujo de fluido a través de una unión.
Se proyecta que los dispositivos microfluídicos que utilizan flujo electroosmótico tendrán aplicaciones en la investigación médica. Una vez que se entienda e implemente mejor el control de este flujo, la capacidad de separar fluidos a nivel atómico será un componente vital para los descargadores de drogas. [12] La mezcla de fluidos a microescala es actualmente problemática. Se cree que los fluidos de control eléctrico serán el método en el que se mezclan pequeños fluidos. [12]
Un uso controvertido de los sistemas electro-osmóticos es el control de la humedad ascendente en las paredes de los edificios. [13] Si bien hay poca evidencia que sugiera que estos sistemas pueden ser útiles para mover sales en paredes, se afirma que dichos sistemas son especialmente efectivos en estructuras con paredes muy gruesas. Sin embargo, algunos afirman que no existe una base científica para esos sistemas y citan varios ejemplos de su fracaso. [14]
Física
En las pilas de combustible , la electroósmosis hace que los protones se muevan a través de una membrana de intercambio de protones (PEM) para arrastrar moléculas de agua de un lado ( ánodo ) al otro ( cátodo ).
Biología de las plantas vasculares
En biología de plantas vasculares, la electro-ósmosis también se utiliza como una explicación alternativa o complementaria para el movimiento de líquidos polares a través del floema que difiere de la teoría de cohesión-tensión proporcionada en la hipótesis del flujo másico y otras, como el flujo citoplasmático . [15] Las células compañeras están involucradas en la extracción "cíclica" de iones (K + ) de los tubos del tamiz y su secreción paralela a su posición de retiro entre las placas del tamiz, lo que da como resultado la polarización de los elementos de la placa del tamiz junto con la diferencia de potencial de presión, y da lugar a que las moléculas de agua polares y otros solutos presentes se muevan hacia arriba a través del floema. [15]
En 2003, los graduados de la Universidad de San Petersburgo aplicaron corriente eléctrica directa a segmentos de 10 mm de mesocotilos de plántulas de maíz junto con brotes de tilo de un año; Las soluciones de electrolitos presentes en los tejidos se movieron hacia el cátodo que estaba en su lugar, lo que sugiere que la electroósmosis podría desempeñar un papel en el transporte de la solución a través de los tejidos conductores de la planta. [dieciséis]
Desventajas
Mantener un campo eléctrico en un electrolito requiere que se produzcan reacciones faradaicas en el ánodo y el cátodo. Esto es típicamente la electrólisis del agua , que genera peróxido de hidrógeno , iones de hidrógeno (ácido) e hidróxido (base), así como burbujas de gas de oxígeno e hidrógeno . El peróxido de hidrógeno y / o los cambios de pH generados pueden afectar negativamente a las células biológicas y biomoléculas como las proteínas, mientras que las burbujas de gas tienden a "obstruir" los sistemas microfluídicos . Estos problemas pueden aliviarse mediante el uso de materiales de electrodo alternativos, como polímeros conjugados, que pueden sufrir las reacciones de Faradaica por sí mismos, reduciendo drásticamente la electrólisis. [17]
Ver también
- Carga superficial
- Electroforesis capilar
- Doble capa eléctrica
- Corriente de transmisión
- Electrocinética de carga inducida
- Potencial de transmisión
- potencial zeta
- Bomba electroosmótica
- Doble capa eléctrica
- Microfluidos
- Electroquímica
Referencias
- ^ La información biográfica sobre FF Reuss está disponible (en alemán) en: Deutsche Biographie
- ↑ Un aviso de la conferencia de Reuss apareció en: Reuss, FF (noviembre de 1807). "Indicium de novo hucusque nondum cognito effectu electricitatis galvanicae" [Aviso de un nuevo efecto hasta ahora desconocido de la electricidad galvánica]. Commentationes Societatis Physico-medicae, Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae (Memorias de la Sociedad Médico-Física, Instituida en la Universidad Imperial de Letras de Moscú) (en latín). 1 , pt. 1: xxxix.Disponible en: Österreichische Nationalbibliothek (Biblioteca Nacional de Austria)
- ^ Reuss, FF (1809). "Notice sur un nouvel effet de l'électricité galvanique" [Aviso de un nuevo efecto de la electricidad galvánica]. Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou (en francés). 2 : 327–337.
- ^ Biscombe, Christian JC (2017). "El descubrimiento de los fenómenos electrocinéticos: aclarar las cosas" . Angewandte Chemie International Edition . 56 (29): 8338–8340. doi : 10.1002 / anie.201608536 . PMID 27902877 .Disponible en: Wiley.com
- ^ Porrett, R. Jr. (1816). "Curiosos experimentos galvánicos" . Anales de Filosofía . 8 : 74–76.
- ↑ (Biscombe, 2017), p. 8339.
- ^ Yao, GF (2003). "Un modelo computacional para la simulación de flujo electroosmótico en microsistemas" (PDF) . Actas Técnicas de la Conferencia y Feria Comercial de Nanotecnología de 2003 [23 a 27 de febrero de 2003; San Francisco, California] . vol. 1. Boston, Massachusetts, EE. UU.: Publicaciones computacionales. págs. 218-221. ISBN 978-0-9728422-0-4.
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tiene texto extra ( ayuda ) - ^ Bruus, H. (2007). Microfluídica teórica . ISBN 978-0-19-923509-4.
- ^ a b Kirby, BJ (2010). Mecánica de fluidos a micro y nanoescala: transporte en dispositivos microfluídicos: Capítulo 6: Electroósmosis . Prensa de la Universidad de Cambridge.
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- ^ a b Ducree, Jen. myFluidix.com .
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- ^ "Sistemas a prueba de humedad por electro ósmosis: fraude o la solución perfecta para humedecer, ¡tú decides!" .
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Otras lecturas
- Bell, FG (2000). Propiedades de ingeniería de suelos y rocas, 4ª ed .
- Chang, HC; Yao, L. (2009). Microfluídicos y nanofluídicos impulsados electrocinéticamente .
- Levich, V. (1962). Hidrodinámica fisicoquímica . ISBN 978-0-903012-40-9.
- Probstein, RF (2003). Hidrodinámica fisicoquímica: una introducción, 2ª ed .