Elektrozwilżanie - Electrowetting

Elektrozwilżanie to modyfikacja właściwości zwilżania powierzchni (która jest zwykle hydrofobowa ) przyłożonym polem elektrycznym .

Historia

Zachowanie się rtęci i innych cieczy w elektrozwilżaniu na powierzchniach o zmiennym ładunku zostało prawdopodobnie po raz pierwszy wyjaśnione przez Gabriela Lippmanna w 1875 roku iz pewnością zaobserwowano je znacznie wcześniej. AN Frumkin użył ładunku powierzchniowego do zmiany kształtu kropel wody w 1936 r. Termin elektrozwilżanie został po raz pierwszy wprowadzony w 1981 r. Przez G. Beni i S. Hackwooda, aby opisać efekt proponowany do zaprojektowania nowego typu urządzenia wyświetlającego, na które otrzymali patent. . Zastosowanie „tranzystora płynnego” w obwodach mikroprzepływowych do manipulacji płynami chemicznymi i biologicznymi zostało po raz pierwszy zbadane przez J. Browna w 1980 r., A następnie sfinansowane w latach 1984–1988 w ramach grantów NSF 8760730 i 8822197, wykorzystując izolacyjną warstwę (warstwy) dielektryczną i hydrofobową ( EWOD), niemieszalne płyny, moc DC lub RF; oraz macierze miniaturowych elektrod przeplecionych (piłokształtnych) z dużymi lub dopasowanymi elektrodami z tlenku cynowo-indowego (ITO) do cyfrowego przemieszczania nanokropli po liniowych, kołowych i skierowanych ścieżkach, pompowania lub mieszania płynów, napełniania zbiorników i kontrolowania przepływu płynu elektronicznie lub optycznie. Później, we współpracy z J. Silverem z NIH, ujawniono oparte na EWOD elektrozwilżanie pojedynczych i niemieszających się płynów do przemieszczania, oddzielania, utrzymywania i uszczelniania macierzy podpróbek cyfrowych PCR.

Elektrozwilżanie przy użyciu warstwy izolacyjnej na wierzchu nieosłoniętej elektrody było później badane przez Bruno Berge w 1993 r. Elektrozwilżanie na tej powierzchni pokrytej dielektrykiem nazywane jest zwilżaniem elektrolitycznym na dielektryku (EWOD) w celu odróżnienia go od konwencjonalnego zwilżania elektrodą gołą. Elektrozwilżanie można wykazać, zastępując metalową elektrodę w systemie EWOD półprzewodnikiem . Elektrozwilżanie obserwuje się również, gdy do przewodzącej kropelki (np. Rtęci), która została umieszczona bezpośrednio na powierzchni półprzewodnika (np. Krzemu), w celu utworzenia styku Schottky'ego w układzie diody Schottky'ego w obwodzie elektrycznym, stosuje się odwrotne napięcie polaryzacyjne - efekt ten nazwano '' Elektrozwilżanie Schottky'ego ”.

Mikroprzepływowe manipulowanie cieczami przez elektrozwilżanie zostało zademonstrowane najpierw za pomocą kropelek rtęci w wodzie, a następnie wody w powietrzu i wody w oleju. Manipulowanie kroplami na dwuwymiarowej ścieżce zademonstrowano później. Jeśli ciecz jest dyskretyzowana i programowalnie manipulowana, podejście to nosi nazwę „Cyfrowe obwody mikroprzepływowe” lub „Cyfrowe układy mikroprzepływowe”. Dyskretyzację przez elektrozwilżanie na dielektryku (EWOD) po raz pierwszy zademonstrowali Cho, Moon i Kim.

Teoria elektrozwilżania

Efekt zwilżania elektrolitycznego został zdefiniowany jako „zmiana kąta zwilżania ciało stałe-elektrolit w wyniku zastosowanej różnicy potencjałów między ciałem stałym a elektrolitem”. Zjawisko elektrozwilżania można rozumieć w kategoriach sił, które wynikają z przyłożonego pola elektrycznego. Otaczające pole w rogach kropli elektrolitu ma tendencję do ciągnięcia kropli w dół na elektrodę, obniżając makroskopowy kąt zwilżania i zwiększając powierzchnię styku kropli. Alternatywnie, na elektrozwilżanie można spojrzeć z perspektywy termodynamicznej. Ponieważ napięcie powierzchniowe interfejsu definiuje się jako swobodną energię Helmholtza potrzebną do wytworzenia określonego obszaru tej powierzchni, zawiera ono zarówno składniki chemiczne, jak i elektryczne, a ładunek staje się znaczącym terminem w tym równaniu. Składnik chemiczny to po prostu naturalne napięcie powierzchniowe granicy faz ciało stałe / elektrolit bez pola elektrycznego. Składnik elektryczny to energia zmagazynowana w kondensatorze utworzona między przewodnikiem a elektrolitem.

Najprostsze wyprowadzenie zachowania elektrozwilżania jest podane na podstawie jego modelu termodynamicznego. Chociaż możliwe jest uzyskanie szczegółowego modelu numerycznego elektrozwilżania, biorąc pod uwagę dokładny kształt pola elektrycznego na prążku i jego wpływ na lokalną krzywiznę kropli, rozwiązania takie są matematycznie i obliczeniowo złożone. Wyprowadzenie termodynamiczne przebiega następująco. Definiowanie odpowiednich naprężeń powierzchniowych jako:

${\ displaystyle \ gamma _ {ws} \,}$ - Całkowite, elektryczne i chemiczne napięcie powierzchniowe między elektrolitem a przewodnikiem

${\ displaystyle \ gamma _ {ws} ^ {0} \,}$ - Napięcie powierzchniowe między elektrolitem a przewodnikiem przy zerowym polu elektrycznym

${\ displaystyle \ gamma _ {s} \,}$ - Napięcie powierzchniowe między przewodnikiem a otoczeniem zewnętrznym

${\ displaystyle \ gamma _ {w} \,}$ - Napięcie powierzchniowe między elektrolitem a otoczeniem zewnętrznym

${\ displaystyle \ theta}$ - Makroskopowy kąt zwilżania elektrolitu i dielektryka

${\ displaystyle C}$ - Pojemność interfejsu, є _r є ₀ / t, dla jednorodnego dielektryka o grubości t i przenikalności є _r

${\ displaystyle V}$ - Efektywne przyłożone napięcie, całka pola elektrycznego od elektrolitu do przewodnika

Powiązanie całkowitego napięcia powierzchniowego z jego składnikami chemicznymi i elektrycznymi daje:

${\ displaystyle \ gamma _ {ws} = \ gamma _ {ws} ^ {0} - {\ frac {CV ^ {2}} {2}} \,}$

Kąt zwilżania jest podana przez równanie Young-Dupre, z tą tylko komplikacją jest, że całkowita energia powierzchniowa ma zastosowanie: ${\ displaystyle \ gamma _ {ws}}$

${\ Displaystyle \ gamma _ {ws} = \ gamma _ {s} - \ gamma _ {w} \ cos (\ theta) \,}$

Połączenie dwóch równań daje zależność θ od efektywnego przyłożonego napięcia jako:

${\ Displaystyle \ cos \ theta = \ lewo ({\ Frac {\ gamma _ {s} - \ gamma _ {ws} ^ {0} + {\ Frac {CV ^ {2}} {2}}} {\ gamma _ {w}}} \ right) \,}$

Dodatkową komplikacją jest to, że ciecze również wykazują zjawisko nasycenia: po pewnym napięciu, napięcie nasycenia, dalszy wzrost napięcia nie zmieni kąta zwilżania, a przy skrajnych napięciach interfejs będzie wykazywał tylko niestabilności.

Jednak ładunek powierzchniowy jest tylko jednym ze składników energii powierzchniowej, a inne składniki są z pewnością zakłócane przez ładunek indukowany. Tak więc pełne wyjaśnienie elektrozwilżania jest niewystarczające, ale nie powinno dziwić, że te ograniczenia istnieją.

Niedawno wykazali to Klarman i wsp. że nasycenie kąta zwilżania można wyjaśnić jako efekt uniwersalny - niezależnie od użytych materiałów - jeśli elektrozwilżanie jest obserwowane jako globalne zjawisko, na które ma wpływ szczegółowa geometria układu. W tych ramach przewiduje się, że możliwe jest również odwrotne zwilżanie elektryczne (kąt zwilżania rośnie wraz z napięciem).

Chevaloitt wykazał również eksperymentalnie, że nasycenie kąta zwilżania jest niezmienne dla wszystkich parametrów materiałów, co ujawniło, że przy użyciu dobrych materiałów większość teorii nasycenia jest nieważna. Ten sam artykuł sugeruje ponadto, że niestabilność elektrohydrodynamiczna może być źródłem nasycenia, co jest teorią nieudowodnioną, ale sugerowaną przez kilka innych grup.

Odwrotne zwilżanie elektryczne

Odwrotne zwilżanie elektryczne można wykorzystać do pozyskiwania energii za pomocą schematu mechaniczno-elektrycznego.

Elektrozwilżanie na folii nasączanej płynem (EWOLF)

Inną konfiguracją elektrozwilżania jest elektrozwilżanie na folii nasyconej cieczą . Folia wlewana cieczą jest osiągana przez zablokowanie ciekłego lubrikanta w porowatej membranie poprzez delikatną kontrolę właściwości zwilżania fazy ciekłej i stałej. Wykorzystując pomijalne mocowanie linii jezdnej na granicy faz ciecz-ciecz, odpowiedź kropelek w EWOLF może być adresowana elektrycznie ze zwiększonym stopniem przełączalności i odwracalności w porównaniu z konwencjonalnym EWOD. Ponadto infiltracja ciekłej fazy smarnej do porowatej membrany również skutecznie zwiększa rozpraszanie energii lepkiej, tłumiąc oscylacje kropelek i prowadząc do szybkiej odpowiedzi bez poświęcania pożądanej odwracalności zwilżania elektrycznością. W międzyczasie efekt tłumienia związany z EWOLF można dostosować, manipulując lepkością i grubością ciekłego smaru.

Opto- i fotoelektryczne zwilżanie

Optoelektryczne zwilżanie i fotoelektrozwilżanie są indukowanymi optycznie efektami elektrozwilżania. Optoelektro- zwilżanie polega na zastosowaniu fotoprzewodnika, podczas gdy fotoelektryczne zwilżanie wykorzystuje fotopojemność i można je zaobserwować, jeśli przewodnik w stosie cieczy / izolatora / przewodników używany do elektrozwilżania zostanie zastąpiony półprzewodnikiem . Poprzez optyczną modulację liczby nośników w obszarze ładunku przestrzennego półprzewodnika, można zmieniać kąt zwilżania kropli cieczy w sposób ciągły. Efekt ten można wyjaśnić modyfikacją równania Younga-Lippmanna.

Materiały

Z powodów, które są nadal badane, tylko ograniczony zestaw powierzchni wykazuje teoretycznie przewidywane właściwości zwilżania elektrycznego. Z tego powodu alternatywne materiały, które można zastosować do pokrycia i sfunkcjonalizowania powierzchni, są wykorzystywane do uzyskania oczekiwanych właściwości zwilżających. Na przykład, bezpostaciowe fluoropolimery są szeroko stosowanymi materiałami powlekającymi zwilżanymi elektrycznie i stwierdzono, że zachowanie tych fluoropolimerów można polepszyć przez odpowiednie ukształtowanie powierzchni. Te fluoropolimery pokrywają niezbędną elektrodę przewodzącą, zwykle wykonaną z folii aluminiowej lub tlenku cyny indu (ITO), aby uzyskać pożądane właściwości zwilżania elektrycznego. W handlu dostępne są trzy typy takich polimerów: hydrofobowe i superhydrofobowe polimery z serii V FluoroPel są sprzedawane przez firmę Cytonix , CYTOP jest sprzedawany przez Asahi Glass Co. , a Teflon AF jest sprzedawany przez firmę DuPont . Zastosowano inne materiały powierzchniowe, takie jak SiO2 i złoto na szkle. Materiały te pozwalają powierzchniom działać jako elektrody uziemiające dla prądu elektrycznego.

Aplikacje

Elektrozwilżanie jest obecnie wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od soczewek modułowych po regulowane, wyświetlacze elektroniczne ( e-papier ), elektroniczne wyświetlacze zewnętrzne i przełączniki do światłowodów. Ostatnio przywołano elektrozwilżanie do manipulowania miękką materią, w szczególności do tłumienia efektu plam kawy . Ponadto zaproponowano filtry z funkcją zwilżania elektrycznego do czyszczenia wycieków oleju i oddzielania mieszanin olej-woda.

Międzynarodowe spotkanie

Co dwa lata odbywa się międzynarodowe spotkanie poświęcone elektrozwilżaniu. Ostatnie spotkanie odbyło się w dniach 18-20 czerwca 2018 r. Na Uniwersytecie Twente w Holandii.

Poprzednimi gospodarzami spotkania electrowetting są: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Angeles (2008), Pohang (2010), Ateny (2012), Cincinnati (2014), Tajpej (2016).

Zobacz też

• Mikroprzepływy
• Zwilżanie
• Miękka materia
• Połączenie metal-półprzewodnik

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Laboratorium Fan-TASY na National Taiwan University
• Wheeler Digital Microfluidics Group na Uniwersytecie w Toronto
• Electrowetting na Uniwersytecie w Cincinnati.
• Cyfrowa mikrofluidyka na Duke University
• Fizyka płynów złożonych na Uniwersytecie Twente
• Schemat wyjaśniający elektrozwilżanie
• Postęp z wyświetlaczami elektrozwilżania
• Elastyczny wyświetlacz do elektroprądów w UC NanoLab, University of Cincinnati
• 6,2-calowy wyświetlacz Liquidvista z elektrowtryskiwaczem o niskiej częstotliwości
• Pełen rozwój systemów i urządzeń ze specjalizacją w prototypowaniu elektrolitycznym. Współpraca z University of Cincinnati.