La electrohumectación es la modificación de las propiedades humectantes de una superficie (que normalmente es hidrófoba ) con un campo eléctrico aplicado .
Historia
El comportamiento de electrohumectación del mercurio y otros líquidos en superficies con carga variable probablemente fue explicado por primera vez por Gabriel Lippmann en 1875 [1] y ciertamente se observó mucho antes. AN Frumkin utilizó la carga superficial para cambiar la forma de las gotas de agua en 1936. [2] El término electrohumectación fue introducido por primera vez en 1981 por G. Beni y S. Hackwood para describir un efecto propuesto para diseñar un nuevo tipo de dispositivo de visualización para el que recibió una patente. [3] El uso de un "transistor de fluido" en circuitos de microfluidos para manipular fluidos químicos y biológicos fue investigado por primera vez por J. Brown en 1980 y posteriormente financiado en 1984-1988 bajo las subvenciones NSF 8760730 y 8822197, [4] empleando dieléctrico aislante y capa (s) hidrofóbica (EWOD), fluidos inmiscibles, potencia de CC o RF; y conjuntos de masas de electrodos intercalados en miniatura (dientes de sierra) con electrodos de óxido de indio y estaño (ITO) grandes o coincidentes para reubicar digitalmente nanogotas en trayectorias lineales, circulares y dirigidas, bombear o mezclar fluidos, llenar depósitos y controlar el flujo de fluidos de forma electrónica u óptica. Más tarde, en colaboración con J. Silver en los NIH, se dio a conocer la electrohumectación basada en EWOD para fluidos únicos e inmiscibles para mover, separar, sujetar y sellar matrices de submuestras digitales de PCR. [5]
La electrohumectación con una capa aislante en la parte superior de un electrodo desnudo fue estudiada más tarde por Bruno Berge en 1993. [6] La electrohumectación en esta superficie recubierta de dieléctrico se denomina electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD) [7] para distinguirla de la electrohumectación convencional. en el electrodo desnudo. La electrohumectación se puede demostrar reemplazando el electrodo metálico en el sistema EWOD por un semiconductor . [8] [9] La electrohumectación también se observa cuando se aplica una polarización inversa a una gota conductora (por ejemplo, mercurio) que se ha colocado directamente sobre una superficie semiconductora (por ejemplo, silicio) para formar un contacto Schottky en una configuración de circuito eléctrico de diodo Schottky . este efecto se ha denominado "electrohumectación de Schottky". [10]
La manipulación microfluídica de líquidos por electrohumectación se demostró primero con gotas de mercurio en agua [11] y luego con agua en aire [7] y agua en aceite. [12] La manipulación de gotas en una trayectoria bidimensional se demostró más tarde. [13] [14] Si el líquido se discretiza y se manipula de forma programable, el enfoque se denomina "Circuitos microfluídicos digitales" [15] [16] o "Microfluídicos digitales". [17] Discretización por electrohumectación-on-dieléctrico (EWOD) se demostró por primera vez por Cho, la Luna y Kim. [18]
Teoría de la electrohumectación
El efecto de electrohumectación se ha definido como "el cambio en el ángulo de contacto sólido-electrolito debido a una diferencia de potencial aplicada entre el sólido y el electrolito". El fenómeno de la electrohumectación se puede entender en términos de las fuerzas que resultan del campo eléctrico aplicado. [19] [20] El campo de franjas en las esquinas de la gota de electrolito tiende a tirar de la gota hacia abajo sobre el electrodo, disminuyendo el ángulo de contacto macroscópico y aumentando el área de contacto de la gota. Alternativamente, la electrohumectación se puede ver desde una perspectiva termodinámica. Dado que la tensión superficial de una interfaz se define como la energía libre de Helmholtz requerida para crear un área determinada de esa superficie, contiene componentes químicos y eléctricos, y la carga se convierte en un término significativo en esa ecuación. El componente químico es solo la tensión superficial natural de la interfaz sólido / electrolito sin campo eléctrico. El componente eléctrico es la energía almacenada en el condensador formado entre el conductor y el electrolito.
La derivación más simple del comportamiento de electrohumectación se obtiene considerando su modelo termodinámico. Si bien es posible obtener un modelo numérico detallado de electrohumectación considerando la forma precisa del campo de franjas eléctricas y cómo afecta la curvatura de la gota local, tales soluciones son matemática y computacionalmente complejas. La derivación termodinámica procede como sigue. Definiendo las tensiones superficiales relevantes como:
- - La tensión superficial total, eléctrica y química, entre el electrolito y el conductor.
- - La tensión superficial entre el electrolito y el conductor con campo eléctrico cero.
- - La tensión superficial entre el conductor y el ambiente externo.
- - La tensión superficial entre el electrolito y el ambiente externo
- - El ángulo de contacto macroscópico entre el electrolito y el dieléctrico.
- - La capacitancia de la interfaz, є r є 0 / t, para un dieléctrico uniforme de espesor ty permitividad є r
- - La tensión aplicada efectiva, integral del campo eléctrico del electrolito al conductor.
Al relacionar la tensión superficial total con sus componentes químicos y eléctricos se obtiene:
El ángulo de contacto viene dado por la ecuación de Young-Dupre, con la única complicación de que la energía superficial total se utiliza:
La combinación de las dos ecuaciones da la dependencia de θ del voltaje aplicado efectivo como:
Una complicación adicional es que los líquidos también exhiben un fenómeno de saturación: después de cierto voltaje, el voltaje de saturación, el aumento adicional de voltaje no cambiará el ángulo de contacto, y con voltajes extremos la interfaz solo mostrará inestabilidades.
Sin embargo, la carga superficial es solo un componente de la energía superficial, y otros componentes ciertamente son perturbados por la carga inducida. Por lo tanto, no se ha cuantificado una explicación completa de la electrohumectación, pero no debería sorprender que existan estos límites.
Recientemente fue demostrado por Klarman et al. [21] que la saturación del ángulo de contacto puede explicarse como un efecto universal, independientemente de los materiales utilizados, si la electrohumectación se observa como un fenómeno global afectado por la geometría detallada del sistema. Dentro de este marco, se predice que también es posible la electrohumectación inversa (el ángulo de contacto aumenta con el voltaje).
Chevaloitt [22] también ha demostrado experimentalmente que la saturación del ángulo de contacto es invariable para todos los parámetros de los materiales, lo que revela que cuando se utilizan buenos materiales, la mayoría de las teorías de saturación son inválidas. Este mismo artículo sugiere además que la inestabilidad electrohidrodinámica puede ser la fuente de saturación, una teoría que no está probada pero que también ha sido sugerida por varios otros grupos.
Electrohumectación inversa
La electrohumectación inversa [23] se puede utilizar para recolectar energía mediante un esquema de ingeniería mecánica a eléctrica.
Electrohumectación sobre película con infusión de líquido (EWOLF)
Otra configuración de electrohumectación es la electrohumectación sobre una película con infusión de líquido . La película con infusión de líquido se logra bloqueando un lubricante líquido en una membrana porosa mediante el delicado control de las propiedades humectantes de las fases líquida y sólida. Aprovechando la insignificante fijación de la línea de contacto en la interfaz líquido-líquido, la respuesta de la gota en EWOLF se puede abordar eléctricamente con un mayor grado de conmutación y reversibilidad en comparación con el EWOD convencional. Además, la infiltración de la fase lubricante líquida en la membrana porosa también mejora eficazmente la disipación de energía viscosa, suprimiendo la oscilación de las gotas y dando lugar a una respuesta rápida sin sacrificar la reversibilidad de electrohumectación deseada. Mientras tanto, el efecto amortiguador asociado con el EWOLF se puede adaptar manipulando la viscosidad y el espesor del lubricante líquido. [24]
Opto y fotoelectrometría
Optoelectrowetting , [25] [26] y fotoelectrowetting [27] son ambos efectos de electrohumectación inducidos ópticamente. La optoelectrometría implica el uso de un fotoconductor, mientras que la fotoelectrometría utiliza una fotocapacitancia y se puede observar si el conductor en la pila de líquido / aislante / conductor utilizado para la electrohumectación se reemplaza por un semiconductor . Modulando ópticamente el número de portadores en la región de carga espacial del semiconductor, el ángulo de contacto de una gota de líquido se puede alterar de forma continua. Este efecto puede explicarse mediante una modificación de la ecuación de Young-Lippmann.
Materiales
Por razones que aún se están investigando, solo un conjunto limitado de superficies exhibe el comportamiento de electrohumectación predicho teóricamente. Debido a esto, se utilizan materiales alternativos que se pueden utilizar para revestir y funcionalizar la superficie para crear el comportamiento de humectación esperado. Por ejemplo, los fluoropolímeros amorfos son materiales de revestimiento electrohumectantes ampliamente utilizados, y se ha descubierto que el comportamiento de estos fluoropolímeros puede mejorarse mediante el modelado de superficie apropiado. Estos fluoropolímeros recubren el electrodo conductor necesario, típicamente hecho de papel de aluminio u óxido de indio y estaño (ITO), para crear las propiedades de electrohumectación deseadas. [28] Hay tres tipos de tales polímeros disponibles comercialmente: los polímeros FluoroPel hidrofóbicos y superhidrofóbicos de la serie V son vendidos por Cytonix , CYTOP es vendido por Asahi Glass Co. y Teflon AF es vendido por DuPont . Se han utilizado otros materiales de superficie como SiO2 y oro sobre vidrio. [29] [30] Estos materiales permiten que las superficies actúen como electrodos de tierra para la corriente eléctrica. [30]
Aplicaciones
La electrohumectación se utiliza ahora en una amplia gama de aplicaciones, desde lentes modulares hasta lentes ajustables, pantallas electrónicas ( e-paper ), pantallas electrónicas para exteriores e interruptores para fibras ópticas. La electrohumectación se ha evocado recientemente para manipular materias blandas en particular, suprimiendo el efecto de la mancha de café . [31] Además, se han sugerido filtros con funcionalidad de electrohumectación para limpiar derrames de aceite y separar mezclas de aceite y agua. [32]
Encuentro internacional
Cada dos años se celebra un encuentro internacional de electrohumectación. La reunión más reciente se celebró del 18 al 20 de junio de 2018 en la Universidad de Twente, Países Bajos. [33]
Los anfitriones anteriores de la reunión de electrohumectación son: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Ángeles (2008), Pohang (2010), Atenas (2012), Cincinnati (2014), Taipei (2016).
Ver también
- Microfluidos
- Mojada
- Materia blanda
- Unión metal-semiconductor
Referencias
- ^ Gabriel Lippmann, "Relation entre les phénomènes électriques et capillaires". Ana. Chim. Phys, 5: 494, 1875
- ^ A. Frumkin, Об явлениях смачивания и прилипания пузырьков, I (Sobre los fenómenos de humectación y adhesión de las burbujas, I). Zhurnal Fizicheskoi Khimii (J Phys Chem URSS), 12: 337-345 (1938).
- ^ Beni, G .; Hackwood, S. (15 de febrero de 1981). "Pantallas de electrohumectación". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 38 (4): 207-209. Código Bibliográfico : 1981ApPhL..38..207B . doi : 10.1063 / 1.92322 . ISSN 0003-6951 .
- ^ [1] [ enlace muerto permanente ]
- ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) en 2011-07-08 . Consultado el 14 de noviembre de 2009 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ B. Berge, "Électrocapillarité et mouillage de films isolants par l'eau", CR Acad. Sci. París, t. 317, Serie II, pág. 157-163, 1993.
- ^ a b J. Lee, "Microactivación por electrohumectación continua y electrohumectación: teoría, fabricación y demostración", Tesis de doctorado, Universidad de California, Los Ángeles, 2000
- ^ S. Arscott "Electrowetting y semiconductores" RSC Advances 4, 29223 (2014). doi : 10.1039 / C4RA04187A .
- ^ C. Palma y R. Deegan “Electrowetting on semiconductors” Appl. Phys. Letón. 106, 014106 (2015). doi : 10.1063 / 1.4905348 .
- ^ S. Arscott y M. Gaudet "Electrohumectación en una unión de metal líquido-semiconductor" Appl. Phys. Letón. 103, 074104 (2013). doi : 10.1063 / 1.4818715 .
- ^ J. Lee y C.-J. Kim, " Micromotor líquido impulsado por electrohumectación continua ", Proc. Taller de sistemas microelectromecánicos de IEEE, Heidelberg, Alemania, enero de 1998, págs. 538–543
- ^ Pollack, Michael G .; Fair, Richard B .; Shenderov, Alexander D. (11 de septiembre de 2000). "Accionamiento basado en electrohumectación de gotitas de líquido para aplicaciones de microfluidos". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 77 (11): 1725-1726. Código Bibliográfico : 2000ApPhL..77.1725P . doi : 10.1063 / 1.1308534 . ISSN 0003-6951 .
- ^ S.-K. Ventilador, P.-P. de Guzman y C.-J. Kim, "EWOD Driving of Droplet on NxM Grid Using Single-Layer Electrode Patterns, Tech. Dig., Solid-State Sensor, Actuator, and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, SC, junio de 2002, págs. 134-137
- ^ J. Gong y C.-J. Kim, " Sistema de microfluidos digitales bidimensionales mediante placa de circuito impreso multicapa ", Proc. Conf. IEEE MEMS, Orlando, FL, enero de 2005, págs. 726–729
- ^ C.-J. Kim, "Circuitos microfluídicos digitales integrados operados por el principio de electrohumectación en dieléctricos (EWOD)", otorgado en 2000 por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), premio número N66001-0130-3664
- ^ C.-J. Kim, "Micropumping by Electrowetting", Actas del Congreso y Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica de ASME, noviembre de 2001, Nueva York, NY, IMECE2001 / HTD-24200.
- ^ MG Pollack, microactivación de gotitas basada en electrohumectación para microfluídica digital, tesis doctoral, Universidad de Duke, 2001.
- ^ Cho, SK; Luna, H .; Kim, C.-J. (2003). "Creación, transporte, corte y fusión de gotitas líquidas mediante accionamiento basado en electrohumectación para circuitos microfluídicos digitales". Revista de sistemas microelectromecánicos . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). 12 (1): 70–80. doi : 10.1109 / jmems.2002.807467 . ISSN 1057-7157 .
- ^ Chang, HC; Yeo, L. (2009). Microfluídicos y nanofluídicos impulsados electrocinéticamente . Prensa de la Universidad de Cambridge .
- ^ 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.
- ^ Klarman, Dan; Andelman, David; Urbakh, Michael (17 de mayo de 2011). "Un modelo de electrohumectación, electrohumectación inversa y saturación de ángulo de contacto". Langmuir . 27 (10): 6031–6041. arXiv : 1102.0791 . Código bibliográfico : 2011arXiv1102.0791K . doi : 10.1021 / la2004326 . ISSN 0743-7463 . PMID 21510663 . S2CID 18448044 .
- ^ Chevalliot, Stéphanie; Kuiper, Stein; Heikenfeld, Jason (2012). "Validación experimental de la invariancia de la saturación del ángulo de contacto de electrohumectación" (PDF) . Revista de ciencia y tecnología de la adhesión . Rodaballo. antes de impresión (antes de impresión): 1–22. doi : 10.1163 / 156856111x599580 . ISSN 0169-4243 . S2CID 1760297 . Archivado desde el original (PDF) el 14 de julio de 2012.
- ^ Krupenkin, Tom; Taylor, J. Ashley (23 de agosto de 2011). "Electrohumectación inversa como un nuevo enfoque para la recolección de energía de alta potencia" . Comunicaciones de la naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 2 (1): 448. Bibcode : 2011NatCo ... 2..448K . doi : 10.1038 / ncomms1454 . ISSN 2041-1723 . PMC 3265368 . PMID 21863015 .
- ^ Hao, Chonglei; Liu, Yahua; Chen, Xuemei; Él, Yuncheng; Li, Qiusheng; Li, KY; Wang, Zuankai (30 de octubre de 2014). "Electrohumectación en película con infusión de líquido (EWOLF): reversibilidad completa y supresión de oscilación controlada de gotas para obtener imágenes ópticas rápidas" . Informes científicos . Springer Science and Business Media LLC. 4 (1): 6846. arXiv : 1409.6989 . Código bibliográfico : 2014NatSR ... 4E6846H . doi : 10.1038 / srep06846 . ISSN 2045-2322 . PMC 4213809 . PMID 25355005 .
- ^ Chiou, Pei Yu; Luna, Hyejin; Toshiyoshi, Hiroshi; Kim, Chang-Jin; Wu, Ming C. (2003). "Accionamiento ligero de líquido por optoelectrometría". Sensores y actuadores A: Físicos . Elsevier BV. 104 (3): 222–228. doi : 10.1016 / s0924-4247 (03) 00024-4 . ISSN 0924-4247 .
- ^ Park, Sung-Yong; Teitell, Michael A .; Chiou, Eric PY (2010). "Optoelectrowetting continuo de una cara (SCOEW) para manipulación de gotas con patrones de luz". Lab on a Chip . Real Sociedad de Química (RSC). 10 (13): 1655–61. doi : 10.1039 / c001324b . ISSN 1473-0197 . PMID 20448870 .
- ^ Arscott, Steve (2011). "Mover líquidos con luz: Fotoelectrometría en semiconductores" . Informes científicos . 1 (1): 184. arXiv : 1108.4935 . Código Bibliográfico : 2011NatSR ... 1E.184A . doi : 10.1038 / srep00184 . ISSN 2045-2322 . PMC 3240946 . PMID 22355699 .
- ^ Yang, Chun-Guang; Xu, Zhang-Run; Wang, Jian-Hua (febrero de 2010). "Manipulación de gotitas en sistemas microfluídicos". Tendencias de TrAC en Química Analítica . 29 (2): 141-157. doi : 10.1016 / j.trac.2009.11.002 .
- ^ Brabcova, Zuzana; McHale, Glen; Wells, Gary G .; Brown, Carl V .; Newton, Michael I. (20 de marzo de 2017). "El campo eléctrico induce la propagación reversible de gotitas en películas sobre superficies impregnadas de lubricante" . Letras de Física Aplicada . 110 (12): 121603. Código Bibliográfico : 2017ApPhL.110l1603B . doi : 10.1063 / 1.4978859 .
- ^ a b Lu, Yi; Sur, Aritra; Pascente, Carmen; Ravi Annapragada, S .; Ruchhoeft, Paul; Liu, Dong (marzo de 2017). "Dinámica del movimiento de las gotas inducidas por electrohumectación" . Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa . 106 : 920–931. doi : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.10.040 .
- ^ H. Burak Eral, D.Mampallil, MHG Duits, F. Mugele "Supresión del efecto de la mancha de café: cómo controlar el autoensamblaje coloidal en gotas que se evaporan mediante electrohumectación", Soft Matter, 2011, 7, 4954–4958 , doi : 10.1039 / C1SM05183K
- ^ H. Burak Eral, R. Ruiter, J. Ruiter, JM Oh, C. Semprebon, M. Brinkmann, F. Mugele, "Transiciones morfológicas reversibles de una gota sobre una fibra", Materia blanda, 2011, 7 (11) , 5138 - 5143 , doi : 10.1039 / C0SM01403F
- ^ Conferencia Internacional de Electrowetting 2018
enlaces externos
- Laboratorio Fan-TASY en la Universidad Nacional de Taiwán
- Wheeler Digital Microfluidics Group de la Universidad de Toronto
- Electrowetting en la Universidad de Cincinnati.
- Microfluídica digital en la Universidad de Duke
- Física de fluidos complejos en la Universidad de Twente
- Diagrama que explica la electrohumectación
- Progreso con pantallas de electrohumectación
- Pantalla flexible de electrohumectación en UC NanoLab, Universidad de Cincinnati
- Pantalla de 6.2 pulgadas con electrohumectación de baja frecuencia Liquidvista
- Desarrollo completo de sistemas y dispositivos con especialización en prototipado de electrowetting. Colaboración con la Universidad de Cincinnati.