Electroósmosis

En química , el flujo electroosmótico ( EOF , guion opcional; sinónimo de electroósmosis o electroendosmosis ) es el movimiento de un líquido inducido por un potencial aplicado a través de un material poroso , un tubo capilar , una membrana , un microcanal o cualquier otro conducto de fluido. Dado que las velocidades electroosmóticas son independientes del tamaño del conducto, siempre que la doble capa eléctrica sea mucho menor que la longitud característica del canal, el flujo electroosmótico tendrá poco efecto. El flujo electroosmótico es más significativo en canales pequeños y es un componente esencial en las técnicas de separación química, especialmente en la electroforesis capilar . El flujo electroosmótico puede ocurrir en agua natural sin filtrar, así como en soluciones tamponadas .

El flujo electroosmótico fue descrito por primera vez en 1807 por Ferdinand Friedrich Reuss (18 de febrero de 1778 (Tubinga, 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 electroosmótico en 1809 en las Memorias de la Sociedad Imperial de Naturalistas de Moscú . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Demostró que se podía hacer fluir agua a través de un tapón de arcilla aplicando un voltaje eléctrico. La arcilla está compuesta de partículas de sílice y otros minerales muy compactadas, y el agua fluye a través de los estrechos espacios entre estas partículas 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 flujo electroosmótico, aunque para el agua/ sílice el efecto es particularmente grande. Aun así, las velocidades de flujo suelen ser de tan solo unos pocos milímetros por segundo.

La electroósmosis fue descubierta independientemente en 1814 por el químico inglés Robert Porrett Jr. (1783–1868). ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El flujo electroosmótico se produce por la fuerza de Coulomb inducida por un campo eléctrico sobre la carga eléctrica móvil neta en una solución. Dado que el equilibrio químico entre una superficie sólida y una solución electrolítica suele dar lugar a que la interfaz adquiera una carga eléctrica fija neta, se forma una capa de iones móviles, conocida como doble capa eléctrica o capa de Debye, en la región cercana a la interfaz. Cuando se aplica un campo eléctrico al fluido (generalmente mediante electrodos colocados en las entradas y salidas), la fuerza de Coulomb resultante induce el movimiento de la carga neta en la doble capa eléctrica. El flujo resultante se denomina flujo electroosmótico.

El flujo resultante de la aplicación de un voltaje es un flujo pistón . A diferencia de un flujo de perfil parabólico generado por una diferencia de presión, el perfil de velocidad de un flujo pistón es aproximadamente plano, con una ligera variación cerca de la doble capa eléctrica. Esto ofrece efectos dispersivos significativamente menos perjudiciales y puede controlarse sin válvulas, lo que proporciona un método de alto rendimiento para la separación de fluidos, aunque muchos factores complejos dificultan este control. Debido a las dificultades para medir y monitorizar el flujo en canales microfluídicos, principalmente debido a la alteración del patrón de flujo, la mayoría de los análisis se realizan mediante métodos numéricos y simulación. ^{[ 7 ]}

El flujo electroosmótico a través de microcanales puede modelarse según la ecuación de Navier-Stokes, donde la fuerza impulsora deriva del campo eléctrico y la diferencia de presión. Por lo tanto, se rige por la ecuación de continuidad.

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {U} =0}$

y el impulso

${\displaystyle \rho {\frac {D\mathbf {U} }{Dt}}=-\nabla p+\mu \nabla ^{2}\mathbf {U} +\rho _ {e}\nabla \left(\psi +\phi \right),}$

donde U es el vector de velocidad, ρ es la densidad del fluido,${\displaystyle D/Dt}$es la derivada del material , μ es la viscosidad del fluido, ρe _es la densidad de carga eléctrica, ϕ es el campo eléctrico aplicado, ψ es el campo eléctrico debido al potencial zeta en las paredes y p es la presión del fluido.

La ecuación de Laplace puede describir el campo eléctrico externo.

${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0,}$

mientras que el potencial dentro de la doble capa eléctrica está regido por

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi ={\frac {-\rho _{e}}{\epsilon \epsilon _{0}}},}$

donde ε es la constante dieléctrica de la solución electrolítica y ε₀ es la permitividad del vacío . Esta ecuación se puede simplificar aún más utilizando la aproximación de Debye-Hückel _.

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi =k^{2}\psi ,}$

donde 1 / k es la longitud de Debye , utilizada 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

${\displaystyle \rho _ {e}=-\epsilon \epsilon _ {0}k^{2}\psi .}$

El transporte de iones en el espacio se puede modelar utilizando la ecuación de Nernst-Planck : ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla cc{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]}$

Dónde${\displaystyle \ c}$es la concentración de iones,${\displaystyle {\bf {A}}}$es el potencial vectorial magnético ,${\displaystyle D}$es la difusividad de la especie química ,${\displaystyle z}$es la valencia de las especies iónicas,${\displaystyle e}$es la carga elemental ,${\displaystyle k_{\text{B}}}$es la constante de Boltzmann y${\displaystyle T}$es la temperatura absoluta .

El flujo electroosmótico generalmente se implementa colocando electrodos en las entradas y salidas donde se desea el flujo y aplicando un campo eléctrico. Sin embargo, el flujo electroosmótico también puede inducirse mediante una reacción química que genera partículas cargadas. Dichas reacciones pueden crearse cuando un combustible como H₂O₂ _interactúa con materiales recubiertos en los electrodos. ^{[ 9 ]} Alternativamente, la fotocatálisis puede crear reacciones en materiales específicos, evitando la necesidad de un combustible. ^{[ 10 ]} _{En las} plantas (floema), las disparidades de carga se logran mediante la extracción y secreción de iones (K⁺) por parte de las células a través de la bomba de sodio-potasio . ^{[ 11 ]}

El flujo electroosmótico se utiliza comúnmente en dispositivos microfluídicos , ^{[ 12 ] [ 13 ]} análisis y procesamiento de suelos, ^{[ 14 ]} y análisis químico, ^{[ 15 ]} todos los cuales involucran rutinariamente sistemas con superficies altamente cargadas, a menudo de óxidos . Un ejemplo es la electroforesis capilar , ^{[ 13 ] [ 15 ]} en la que se utilizan campos eléctricos para separar sustancias químicas según 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.

En un FlowFET , se activa el flujo electroosmótico para controlar electrónicamente el flujo de fluido a través de una unión.

Se prevé que los dispositivos microfluídicos que utilizan flujo electroosmótico tendrán aplicaciones en la investigación médica. Una vez que se comprenda e implemente mejor el control de este flujo, la capacidad de separar fluidos a nivel atómico será un componente vital para los liberadores de fármacos. ^{[ 16 ]} La mezcla de fluidos a microescala es actualmente problemática. Se cree que el control eléctrico de fluidos será el método para mezclar fluidos de pequeño tamaño. ^{[ 16 ]}

Un uso controvertido de los sistemas electroosmóticos es el control de la humedad ascendente en las paredes de los edificios. ^{[ 17 ]} Si bien hay poca evidencia que sugiera que estos sistemas puedan ser útiles para mover sales en las paredes, se afirma que son especialmente efectivos en estructuras con paredes muy gruesas. Sin embargo, algunos sostienen que no existe una base científica para estos sistemas y citan varios ejemplos de su fracaso. ^{[ 18 ]}

La electroósmosis también puede utilizarse para el bombeo automático de poros mediante reacciones químicas en lugar de campos eléctricos. Este método, que utiliza ^{H₂O₂, se ha demostrado [19} ] y modelado ^con _las ^ecuaciones de Nernst-Planck-Stokes _[ ^{8 ] .}

Mantener un campo eléctrico en un electrolito requiere que se produzcan reacciones faradaicas en el ánodo y el cátodo. Esto suele ser la electrólisis del agua , que genera peróxido de hidrógeno , iones de hidrógeno (ácido) e hidróxido (base), así como burbujas de oxígeno e hidrógeno . El peróxido de hidrógeno y/o los cambios de pH generados pueden afectar negativamente a las células biológicas y a biomoléculas como las proteínas, mientras que las burbujas de gas tienden a obstruir los sistemas microfluídicos . Estos problemas pueden mitigarse utilizando materiales de electrodo alternativos, como polímeros conjugados , que pueden experimentar las reacciones faradaicas por sí mismos, reduciendo drásticamente la electrólisis. ^{[ 22 ]}

• carga superficial
• electroforesis capilar
• Doble capa eléctrica
• Transmisión actual
• Electrocinética de carga inducida
• Potencial de transmisión
• Potencial zeta
• Bomba electroosmótica
• Doble capa eléctrica
• Microfluídica
• Electroquímica

• Bell, FG (2000). Propiedades de ingeniería de suelos y rocas, 4ª ed .
• Chang, HC; Yao, L. (2009). Microfluídica y nanofluídica impulsadas electrocinéticamente .
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