Electropulverización

Aparato que emplea electricidad para dispersar un líquido en un aerosol fino.

Este artículo trata sobre aerosoles inducidos por alto voltaje. Para la formación de iones por espectrometría de masas, consulte ionización por electropulverización .

El nombre de electropulverización se usa para un aparato que emplea electricidad para dispersar un líquido o para el aerosol fino resultante de este proceso. Se aplica alto voltaje a un líquido suministrado a través de un emisor (generalmente un capilar de vidrio o metálico). Idealmente, el líquido que llega a la punta del emisor forma un cono de Taylor , que emite un chorro de líquido a través de su vértice. Las ondas varicosas en la superficie del chorro conducen a la formación de gotitas de líquido pequeñas y muy cargadas, que se dispersan radialmente debido a la repulsión de Coulomb .

Historia

Ver también: Electrospinning § Historia

A finales del siglo XVI, William Gilbert ^[1] se propuso describir el comportamiento de los fenómenos magnéticos y electrostáticos. Observó que, en presencia de una pieza cargada de ámbar, una gota de agua se deformaba en un cono. Este efecto está claramente relacionado con las electropulverizaciones, aunque Gilbert no registró ninguna observación relacionada con la dispersión del líquido bajo el efecto del campo eléctrico.

En 1750, el clérigo y físico francés Jean-Antoine (Abbé) Nollet notó que el agua que fluye de un recipiente se aerosolizaría si el recipiente se electrificaba y se colocaba cerca de tierra eléctrica. También señaló que, de manera similar, "una persona, electrificada por la conexión a un generador de alto voltaje, no sangraría normalmente si se cortara; la sangre saldría de la herida". ^[2]

En 1882, Lord Rayleigh calculó teóricamente la cantidad máxima de carga que podía transportar una gota de líquido; ^[3] esto ahora se conoce como el "límite de Rayleigh". Su predicción de que una gota que alcanzara este límite arrojaría chorros finos de líquido se confirmó experimentalmente más de 100 años después. ^[4]

En 1914, John Zeleny publicó un trabajo sobre el comportamiento de las gotas de líquido al final de los capilares de vidrio. ^[5] Este informe presenta evidencia experimental para varios regímenes operativos de electropulverización (goteo, explosión, pulsación y chorro de cono). Unos años más tarde, Zeleny capturó las primeras imágenes de lapso de tiempo del menisco líquido dinámico. ^[6]

Entre 1964 y 1969, Sir Geoffrey Ingram Taylor produjo el fundamento teórico de la electropulverización. ^{[7] [8] [9]} Taylor modeló la forma del cono formado por la gota de fluido bajo el efecto de un campo eléctrico; esta característica forma de gota se conoce ahora como el cono de Taylor . Además, trabajó con JR Melcher para desarrollar el "modelo dieléctrico con fugas" para la conducción de fluidos. ^[10]

Mecanismo

Un primer plano de un dispositivo de electropulverización. El chorro de spray ionizado es visible dentro de la imagen.

Para simplificar la discusión, los siguientes párrafos abordarán el caso de una electropulverización positiva con el alto voltaje aplicado a un emisor metálico. Se considera una configuración clásica de electropulverización, con el emisor situado a una distancia de un contraelectrodo conectado a tierra. El líquido que se pulveriza se caracteriza por su viscosidad , tensión superficial , conductividad y permitividad relativa .${\displaystyle d\,}$${\displaystyle (\mu )\,}$${\displaystyle (\gamma )\,}$${\displaystyle (\kappa )\,}$${\displaystyle (\epsilon _{r})\,}$

Efecto de los pequeños campos eléctricos sobre los meniscos líquidos.

Bajo el efecto de la tensión superficial, el menisco líquido adquiere una forma semiesférica en la punta del emisor. La aplicación del voltaje positivo inducirá el campo eléctrico: ^[11]${\displaystyle V\,}$

${\displaystyle E={2V \over r\ln(4d/r)}}$

donde es el radio de curvatura del líquido. Este campo conduce a la polarización del líquido: los portadores de carga negativa / positiva migran hacia / lejos del electrodo donde se aplica el voltaje. A voltajes por debajo de un cierto umbral, el líquido alcanza rápidamente una nueva geometría de equilibrio con un radio de curvatura más pequeño.${\displaystyle r\,}$

El cono de Taylor

Los voltajes por encima del umbral atraen el líquido a un cono. Sir Geoffrey Ingram Taylor describió la forma teórica de este cono basándose en los supuestos de que (1) la superficie del cono es una superficie equipotencial y (2) el cono existe en un equilibrio de estado estacionario. ^[7] Para cumplir con ambos criterios, el campo eléctrico debe tener simetría azimutal y tener dependencia para equilibrar la tensión superficial y producir el cono. La solución a este problema es:${\displaystyle R^{1/2}\,}$

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

donde (superficie equipotencial) existe a un valor de (independientemente de R) produciendo un cono equipotencial. El ángulo mágico necesario para para todos R es un cero del polinomio de Legendre de orden medio, . Solo hay un cero entre 0 y 130.7099 °, que es el complemento del ahora famoso ángulo de 49.3 ° de Taylor.${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle \theta _{0}}$${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$${\displaystyle \pi \,}$

Desarrollo de la singularidad

El vértice del menisco cónico no puede volverse infinitamente pequeño. Se desarrolla una singularidad cuando el tiempo de relajación hidrodinámica se vuelve mayor que el tiempo de relajación de la carga . ^[12] Los símbolos indefinidos representan la longitud característica y la permitividad de vacío . Debido a la inestabilidad varicosa intrínseca, el chorro de líquido cargado expulsado a través del vértice del cono se rompe en pequeñas gotas cargadas, que se dispersan radialmente por la carga espacial.${\displaystyle \tau _{H}={\mu r \over \gamma }}$ ${\displaystyle \tau _{C}={\epsilon _{r}\epsilon _{0} \over \kappa }}$${\displaystyle (r)\,}$${\displaystyle (\epsilon _{0})\,}$

Cerrando el circuito eléctrico

El líquido cargado se expulsa a través del vértice del cono y se captura en el contraelectrodo como gotas cargadas o iones positivos. Para equilibrar la pérdida de carga, el exceso de carga negativa se neutraliza electroquímicamente en el emisor. Los desequilibrios entre la cantidad de carga generada electroquímicamente y la cantidad de carga perdida en el vértice del cono pueden dar lugar a varios regímenes operativos de electropulverización. Para las electropulverizaciones de chorro de cono, el potencial en la interfaz metal / líquido se autorregula para generar la misma cantidad de carga que se pierde a través del vértice del cono. ^[13]

Aplicaciones

Ionización por electropulverización

La electropulverización se volvió ampliamente utilizada como fuente de ionización para espectrometría de masas después de que el grupo Fenn demostrara con éxito su uso como fuente de iones para el análisis de biomoléculas grandes. ^[14]

Fuente de iones de metal líquido

Una fuente de iones de metal líquido (LMIS) utiliza electropulverización junto con metal líquido para formar iones . ^{[15] [16]} Los iones se producen por evaporación de campo en la punta del cono de Taylor. Los iones de un LMIS se utilizan en la implantación de iones y en instrumentos de haz de iones enfocados .

Electrospinning

Artículo principal: Electrospinning

De manera similar a la electropulverización estándar, la aplicación de alto voltaje a una solución de polímero puede resultar en la formación de una geometría de chorro de cono. Si el chorro se convierte en fibras muy finas en lugar de romperse en pequeñas gotas, el proceso se conoce como electrohilado .

Propulsores coloidales

Artículo principal: propulsor coloide

Las técnicas de electropulverización se utilizan como motores de cohetes de propulsión eléctrica de bajo empuje para controlar satélites , ya que la expulsión de partículas controlable finamente permite un empuje preciso y eficaz.

Deposición de partículas para nanoestructuras

La electropulverización se puede utilizar en nanotecnología , ^[17] por ejemplo para depositar partículas individuales en superficies. Esto se hace rociando coloides en promedio que contienen solo una partícula por gota. El disolvente se evapora, dejando una corriente de aerosol de partículas individuales del tipo deseado. La propiedad ionizante del proceso no es crucial para la aplicación, pero puede usarse en la precipitación electrostática de las partículas.

Deposición de iones como precursores de nanopartículas y nanoestructuras

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En lugar de depositar nanopartículas , también se pueden fabricar nanopartículas y nanoestructuras in situ depositando iones metálicos en las ubicaciones deseadas. Se creía que la reducción electroquímica de iones a átomos y el ensamblaje in situ era el mecanismo de formación de nanoestructuras.

Fabricación de portadores de medicamentos

La electrospray ha atraído la atención en el campo de la administración de fármacos y se ha utilizado para fabricar portadores de fármacos, incluidas las micropartículas poliméricas utilizadas en inmunoterapia ^[18] , así como los lipoplexos utilizados para la liberación de ácidos nucleicos . ^[19] Las partículas de fármaco de tamaño submicrométrico creadas por electropulverización poseen velocidades de disolución aumentadas, por lo que aumenta la biodisponibilidad debido al área de superficie aumentada. ^[20] Los efectos secundarios de los medicamentos pueden reducirse, ya que una dosis más pequeña es suficiente para obtener el mismo efecto.

Purificadores de aire

La electropulverización se utiliza en algunos purificadores de aire . Las partículas suspendidas en el aire pueden cargarse mediante electropulverización en aerosol, manipularse mediante un campo eléctrico y recogerse en un electrodo conectado a tierra. Este enfoque minimiza la producción de ozono que es común a otros tipos de purificadores de aire.

Ver también

• Enfoque de flujo

Referencias

1. Gilbert, W. (1628) De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Sobre el imán y los cuerpos magnéticos, y sobre ese gran imán la Tierra), Londres, Peter Short
2. Grimm, Ronald L. (2006). "2" (PDF) . Estudios fundamentales de los mecanismos y aplicaciones de la espectrometría de masas por ionización de gotitas inducida por el campo y la espectrometría de masas por electroaspersión (Ph.D.). Biblioteca Caltech . Consultado el 17 de mayo de 2013 .
3. Rayleigh, L. (1882). "Sobre el equilibrio de masas conductoras líquidas cargadas con electricidad" (PDF) . Revista Filosófica . 14 (1): 184–186. doi : 10.1080 / 14786448208628425 .
4. Gómez, A; Tang, K (1994). "Carga y fisión de gotitas en aerosoles electrostáticos". Física de fluidos . 6 (1): 404–414. Código Bibliográfico : 1994PhFl .... 6..404G . doi : 10.1063 / 1.868037 .
5. Zeleny, J. (1914). "La descarga eléctrica de los puntos líquidos y un método hidrostático para medir la intensidad eléctrica en sus superficies" . Revisión física . 3 (2): 69. Bibcode : 1914PhRv .... 3 ... 69Z . doi : 10.1103 / PhysRev.3.69 .
6. Zeleny, J. (1917). "Inestabilidad de superficies líquidas electrificadas". Revisión física . 10 (1): 1–6. Código Bibliográfico : 1917PhRv ... 10 .... 1Z . doi : 10.1103 / PhysRev.10.1 .
7. Geoffrey Taylor (1964). "Desintegración de gotas de agua en un campo eléctrico". Proceedings of the Royal Society A . 280 (1382): 383–397. Código bibliográfico : 1964RSPSA.280..383T . doi : 10.1098 / rspa.1964.0151 . JSTOR 2415876 . 
8. Taylor, G. (1965). "La fuerza ejercida por un campo eléctrico sobre un conductor cilíndrico largo". Actas de la Royal Society of London A: Ciencias matemáticas, físicas y de ingeniería . 291 (1425): 145-158. Código bibliográfico : 1966RSPSA.291..145T . doi : 10.1098 / rspa.1966.0085 .
9. Geoffrey Ingram Taylor y MD Van Dyke (1969). "Jets accionados eléctricamente". Actas de la Royal Society of London A: Ciencias matemáticas, físicas y de ingeniería . 313 (1515): 453–475. Código Bibliográfico : 1969RSPSA.313..453T . doi : 10.1098 / rspa.1969.0205 .
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