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Electrocinética de carga inducida

Se visualizó el patrón de flujo electrocinético de carga inducida alrededor de una esfera de acero al carbono (diámetro = 1,2 mm). Se muestran cuatro vórtices inducidos median...

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Se visualizó el patrón de flujo electrocinético de carga inducida alrededor de una esfera de acero al carbono (diámetro = 1,2  mm). Se muestran cuatro vórtices inducidos mediante partículas fluorescentes con un diámetro de 1,90  μm. El campo eléctrico de CC se aplica de izquierda a derecha y es igual a 40 V/cm. La línea discontinua representa el límite de la partícula. La imagen fue capturada por un microscopio Nikon TE2000-E en t = 2 s. [ 1 ]

La electrocinética de carga inducida en física es el flujo de fluidos y el movimiento de partículas impulsados ​​eléctricamente en un electrolito líquido . [ 2 ] Consideremos una partícula metálica (con carga neutra pero conductora eléctricamente) en contacto con una solución acuosa en una cámara/canal. Si se aplican diferentes voltajes al extremo de esta cámara/canal, se generará un campo eléctrico en su interior. Este campo eléctrico aplicado atraviesa la partícula metálica y provoca que las cargas libres dentro de la partícula migren bajo su superficie. Como resultado de esta migración, las cargas negativas se mueven hacia el lado cercano al voltaje positivo (o más alto), mientras que las cargas positivas se mueven hacia el lado opuesto de la partícula. Estas cargas bajo la superficie de la partícula conductora atraen los contraiones de la solución acuosa; de esta manera, se forma una doble capa eléctrica (DCE) alrededor de la partícula. El signo de la DCE en la superficie de la partícula conductora cambia de positivo a negativo y la distribución de las cargas varía a lo largo de la geometría de la partícula. Debido a estas variaciones, la DCE no es uniforme y presenta diferentes signos. Así, el potencial zeta inducido alrededor de la partícula, y consecuentemente la velocidad de deslizamiento en la superficie de la partícula, varían en función del campo eléctrico local. Las diferencias en magnitud y dirección de la velocidad de deslizamiento en la superficie de la partícula conductora afectan el patrón de flujo alrededor de esta partícula y causan microvórtices. Yasaman Daghighi y Dongqing Li, por primera vez, ilustraron experimentalmente estos vórtices inducidos alrededor de una esfera de acero al carbono de 1,2 mm de diámetro bajo un campo eléctrico externo de corriente continua (CC) de 40 V/cm. [ 1 ] Chenhui Peng et al. [ 3 ] también mostraron experimentalmente los patrones de flujo electroosmótico alrededor de una esfera de Au cuando interviene corriente alterna (CA) (E=10 mV/μm, f=1 kHz). La electrocinética aquí se refiere a una rama de la ciencia relacionada con el movimiento y la reacción de partículas cargadas al campo eléctrico aplicado y sus efectos en su entorno. A veces también se la denomina fenómeno electrocinético no lineal.   

Historia

Levich es uno de los pioneros en el campo electrocinético de carga inducida. [ 2 ] Calculó el perfil de deslizamiento perturbado alrededor de una partícula conductora en contacto con un electrolito. También predijo teóricamente la formación de vórtices alrededor de esta partícula al aplicar el campo eléctrico.

Vórtices inducidos alrededor de una partícula conductora

El tamaño y la fuerza de los vórtices inducidos alrededor de una partícula conductora tienen una relación directa con el campo eléctrico aplicado y también con el tamaño de la superficie conductora. Este fenómeno ha sido probado experimental y numéricamente por varios estudios. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Los vórtices crecen a medida que aumenta el campo eléctrico externo y generan un "sumidero" [ 1 ] en el centro de cada vórtice mientras el fluido circula más rápido. Se ha demostrado que aumentar el tamaño de la superficie conductora forma vórtices inducidos más grandes hasta el punto en que la geometría no limita este crecimiento.

Aplicaciones

Los vórtices inducidos tienen numerosas aplicaciones en diversos aspectos de la microfluídica electrocinética . Existen muchos micromezcladores diseñados y fabricados basándose en la existencia de estos vórtices en los dispositivos microfluídicos . Dichos micromezcladores, utilizados en aplicaciones bioquímicas, médicas y biológicas, carecen de partes mecánicas y solo emplean superficies conductoras para generar vórtices inducidos que mezclan los diferentes flujos de fluidos. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Este fenómeno se utiliza incluso para atrapar partículas micrométricas y submicrométricas que flotan en el flujo dentro de un microcanal. Este método puede emplearse para manipular, detectar, manejar y concentrar células y virus en el campo biomédico, o para el ensamblaje de partículas coloidales.

Además, los vórtices inducidos alrededor de las superficies conductoras en un sistema microfluídico pueden utilizarse como microválvula, microactuador, micromotor y microrregulador para controlar la dirección y la manipulación.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Daghighi, Yasaman; Sinn, Irene; Kopelman, Raoul; Li, Dongqing (2013). "Validación experimental del movimiento electrocinético de carga inducida de partículas conductoras de electricidad". Electrochimica Acta . 87 : 270– 276. doi : 10.1016/j.electacta.2012.09.021 . ISSN 0013-4686 . 
  2. 1 2 V. G. Levich, Hidrodinámica fisicoquímica. Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, (1962)
  3. ↑ C. Peng, I. Lazo, SV Shiyanovskii, OD Lavrentovich, Electroósmosis de carga inducida alrededor de esferas metálicas y de Janus en agua: Patrones de flujo y ruptura de simetrías, preimpresión de arXiv arXiv : 1411.1478 , (2014)
  4. ↑ NI Gamayunov, GI Mantrov y VA Murtsovkin, Investigación de los flujos inducidos por un campo eléctrico externo en las proximidades de partículas conductoras, Kolloidn. Zh., 54, (1992) 26-30.
  5. ↑ AS Dukhin, Mecanismo bioespecífico de formación de doble capa y peculiaridades de la electroforesis celular, Colloids Surf. Physicochem. Eng. Aspects, 73, (1993) 29-48.
  6. ↑ Electrocinética y electrohidrodinámica en microsistemas. Cursos y conferencias de CISM, volumen 530, 2011, págs. 221-297. Fenómenos electrocinéticos de carga inducida. Martin Z. Bazant.
  7. ↑ Y. Daghighi, Y. Gao y D. Li, Estudio numérico 3D del movimiento electrocinético de partículas heterogéneas, Electrochimica Acta, 56 (11), (2011) 4254-4262
  8. ↑ M. Campisi, D. Accoto, F. Damiani y P. Dario, Un micromezclador electrocinético caótico litografiado por fusión para reacciones químicas eficientes en laboratorios en chips, J. of Micro-Nano Mechatronics, 5, (2009) 69-76
  9. ↑ AD Stroock, SKW Dertinger, A. Ajdari, I. Mezić, HA Stone y GM Whitesides, "Mezclador caótico para microcanales", Science, 295, (2002) 647-651
  10. ↑ Y. Daghighi y D. Li, Un nuevo diseño de un micromezclador electrocinético de carga inducida, Analytica Chimica Acta, 763 (2013) 28–37
  11. ↑ CK Harnett, J. Templeton, KA Dunphy-Guzman, YM Senousy y MP Kanouff, Diseño basado en modelos de un mezclador microfluídico accionado por electroósmosis de carga inducida, Lab on a Chip - Miniaturisation for Chemistry and Biology, 8 (2008) pp. 565-572
  12. ↑ M. Jain, A. Yeung y K. Nandakumar, Mezclador electroosmótico de carga inducida: optimización de la forma del obstáculo, Biomicrofluidics, 3 (2009)