Name: generation and control of electrohydrodynamic flows in aqueous electrolyte solutions
Uploaded: 2018-09-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
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Os autores têm sem confirmações.

1. EHD fluxo induzido pelo transporte de íon retificado
<ol><li>Desenvolvimento de um dispositivo de canal de fluxo para rectificar as vias de transporte de íons
	<ol>
<li>Fazer um molde PTFE do reservatório:<ol>
<li>Cortar uma 13 x 30 x 10 molde de3 mm de um bloco de politetrafluoretileno (PTFE) usando uma máquina de trituração (ver Figura 2). Em alternativa, adquira um produto feito sob medido.</li>
			<li>Placas de acrílico de 15 x 18 x 1 mm3 em ambas as extremidades do molde de PTFE com um adesivo de plástico, que irá fazer fendas no reservatório para acertar os polarização eletrodos de aderir. Estas peças podem ser cortadas de um prato grande ou compradas.</li>
			<li>Respeitar as placas de acrílico de 13 x 30 x 1 mm3 nas superfícies superior e inferior do molde de PTFE com um adesivo plástico tornar superfícies planas para observação clara.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Misture um agente do silicone de elastômero base e cura na proporção de 10:1 em um tubo de 50 mL e agitar o tubo com a mão.</li>
		<li>Resolver o PDMS líquido em um recipiente a vácuo e desgaseificá-lo usando uma bomba rotativa.</li>
		<li>Retire o tubo do vaso. Despeje o PDMS um 40 x 50 x 24 mm3 plástico navio para moldar a forma exterior do reservatório e coloque o molde do reservatório (ver passo 1.1.1) nele.</li>
		<li>Asse o corpo inteiro do líquido PDMS em uma chapa de fogão a 80 ° C, durante cerca de 4 h.</li>
		<li>Depois a cozer, isole o reservatório PDMS partir o molde PTFE e o navio exterior à mão. Faça um corte em todo o centro do reservatório, usando uma faca cirúrgica. Isto será usado para colocar as bordas de uma membrana de troca aniónica (preparado na etapa 1.1.16) usando uma pinça. Nota: O reservatório PDMS é cheio de soluções de eletrólitos mais tarde, como mostrado na Figura 2.</li>
		<li>Obter placas de vidro (feitas por encomenda especial) com uma forma circular de 18 mm de diâmetro ou em um quadrado com arestas de 18 mm.</li>
		<li>Lave as placas de vidro embebendo-os em acetona, etanol e água pura (nessa ordem) em um banho de ultrasonication para 15 min cada.</li>
		<li>Qualquer líquido residual com uma pistola de ar de sopro ou aquecer as placas de vidro com uma placa de aquecimento durante 5 min à cerca de 473 K.</li>
		<li>Usando a frequência de rádio que sputtering, revestir a superfície de vidro com Cr ou Ti exposta ao plasma de Ar por 1 min em 75 W e sucessivamente, depositar uma película fina de Au por 5 min em 75 W, definindo a espessura de aproximadamente 100 nm. Nota: Antes do revestimento da superfície de vidro com os metais de alvo, as amostras foram definidas em uma câmara de vácuo que foi evacuada com uma bomba giratória e uma bomba de difusão molecular, até que a pressão diminuiu para 1 x 10− 2 PA.</li>
		<li>Solde uma pista sobre a superfície do eletrodo Au usando um ferro de solda. Nota: A forma do eletrodo Au possivelmente pode ser substituída por quadrados e fios helicoidais, manutenção de áreas de superfície grandes o suficiente para gerar correntes iônicas.</li>
		<li>Com uma pinça, defina as placas de vidro revestidas com uma película fina de Au em ambas as extremidades do reservatório. Estes são os eletrodos de viés.</li>
		<li>Corte uma membrana de troca aniónica em uma forma retangular de 20 x 18 mm2 , usando a tesoura. Uma superfície de 13 mm de largura e 10 mm de altura é exposta a um líquido. Aqui, um estilete ou uma faca cirúrgica também pode ser usada para cortar a membrana.</li>
		<li>Corte um pedaço retangular de 3 x 5,5 mm2 de uma borda da membrana com uma tesoura. Nota: A espessura da membrana permutadora é 220 µm. A membrana é facilmente cortada com uma tesoura ou um estilete. As bordas da membrana são parcialmente corrigidas com as fendas na câmara.</li>
		<li>Solidificar um bloco PDMS com uma vareta de aço inoxidável de seção2 1 x 1 mm da mesma forma como em passos 1.1.4 - 1.1.5, para criar um canal de fluxo que penetra a membrana. Deixe a construção durante a noite e em seguida, puxe a vareta de aço inoxidável fora do bloco PDMS.</li>
		<li>Cortar o PDMS bloco com um canal de fluxo quadrado em um 3 x 6 x 4,5 mm peça (ver Figura 2) usando uma faca cirúrgica. Faça fendas ao longo das bordas exteriores e, em seguida, anexá-lo à membrana dentro o recorte retangular. Nota: A face superior do canal deve ser definido horizontalmente para uma clara observação das partículas no fluxo canal através de parede transparente.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparação de soluções e pré-tratamentos para experimentos
	<ol>
<li>Prepare soluções aquosas de NaOH em concentrações de 1 x 10− 1, 1 x 10− 2e 1 x 10− 3 mol/L diluindo a solução-mãe.</li>
		<li>Fazer em média uma dispersão de partículas de poliestireno de 2,93 µm de diâmetro em cada uma das soluções de NaOH preparadas na etapa 1.2.1 definindo a concentração para 4.2 x 10− 3 vol %. Nota: O tamanho das partículas de rastreamento pode ser alterado adequadamente para melhorar observabilidade.</li>
		<li>Ultrasonicate da membrana formatado permutadora de 20 x 18 mm2 com uma fenda de 3 x 5,5 mm2 2 x por 10 min em água pura a uma potência de 100 w.</li>
		<li>Com uma pinça, defina a membrana de troca aniónica com o canal de fluxo PDMS para o reservatório PDMS. Encha o reservatório com 4 mL de solução de NaOH usando uma micropipeta. Nota: O canal de superfície e fluxo de membrana estão imersos na solução, onde a superfície da membrana exposta à solução é pelo menos 100 x maior do que a seção transversal do canal de fluxo.</li>
		<li>Aplica um potencial elétrico de 2.2 V usando uma fonte de alimentação de DC em direções para a frente e para trás por 2 h em série, para melhorar a condutividade da membrana antes de observação.</li>
		<li>Retire os eletrodos Au com uma pinça. Remova a solução de reservatórios utilizando uma micropipeta.</li>
		<li>Defina novos eletrodos Au dos reservatórios com uma pinça. Encha os reservatórios com 4 mL de solução de NaOH usando uma micropipeta. Inicie as observações quando a solução é incubada. Nota: Pode levar alguns minutos de tempo de espera até que a convecção natural acalme, que pode ser julgado por observar o comportamento de partículas de traçador.</li>
	</ol></li>
	<li>Sistemas de instalação e medição experimentais
	<ol>
<li>Definir a taxa de quadros e o tempo de exposição de uma câmera de alta velocidade metal-óxido-semicondutor complementar (CMOS) para 500 fps e 1 ms, respectivamente. Nota: Conforme mostrado na Figura 1, o dispositivo experimental situa-se no palco de um microscópio, conectado a uma câmera CMOS de alta velocidade para gravar os movimentos de partículas. A vista é ampliada em um monitor com uma lente de 100 X 15.</li>
		<li>Remova quaisquer bolhas do canal, inserindo a ponta de uma micropipeta no final canal para empurrar ou puxar para fora, antes de aplicar um potencial elétrico.</li>
		<li>Externamente, aplica um potencial elétrico de 2.2 V para os eletrodos de viés Au. Monitore simultaneamente as respostas elétricas usando um potentiostat ou uma fonte de alimentação DC com um multímetro digital. Nota: O valor de tensão é determinado como o limite superior, evitando a electrólise da água que gera O2 e H2 bolhas na solução.</li>
		<li>Registre o comportamento das partículas traçador no computador.</li>
		<li>Medir uma diferença de potencial elétrica entre ambas as extremidades do canal de fluxo, usando eletrodos de sonda Au e um multímetro digital para confirmar que o gradiente de concentração de íons desencadeia um fluxo de DHE38,39.</li>
		<li>Determine a origem do sistema de coordenadas cartesianas no centro do canal. Nota: O x- axis é na direção longitudinal do canal do fluxo e o y- e z-eixos são nas direções horizontais e verticais em secção transversal do canal, respectivamente, como mostrado na Figura 2. O canal PDMS transparente permite que o líquido passa a ser visualizado ao longo do x-axis. A vista é focada no plano XY em z = 0, controlando a profundidade de foco. Os dados de fluxo são independentes de x na seção teste exceto perto de entrada e saída do canal, e o ponto de observação é fixado em cerca de 0,75 mm a jusante da origem, tal que x = 0,75, y = 0 e z = 0 mm.</li>
		<li>Depois de uma única medição (de 15 s), os eletrodos de curto-circuito, ligando-os aos outros com uma pista por 20 min até que a solução é incubada.</li>
		<li>Em seguida, mover a totalidade da solução para outro recipiente (por exemplo, um frasco de amostra de 10 mL) e agite-o com uma micropipeta.</li>
		<li>Despeje a solução agitou a câmara novamente usando uma micropipeta quando executa iterativamente a experiência. Nota: Após a observação, a velocidade de fluxo EHD é avaliada usando a partícula image velocimetry (PIV) método39, que pode ser feito usando o software apropriado para rastrear o deslocamento de partículas e avaliar numericamente a velocidade. Uma explicação detalhada dos métodos PIV e como usá-los é omitida aqui porque análises PIV têm sido amplamente utilizadas e os procedimentos de cálculos dependem do software e sistema operacional que está sendo usado.</li>
	</ol></li>
</ol>2. a observação dos fluxos EHD induzida em cátion
<ol><li>
Desenvolvimento de dispositivo experimental
	<ol>
<li>Forma eletrodos de viés Au com uma superfície de2 26 x 10 mm na placa de vidro de fundo de acordo com procedimentos semelhantes aos descritos anteriormente em etapas 1.1.5 - 1.1.7.</li>
		<li>Usando a frequência de rádio que sputtering, revestir uma superfície de vidro com Cr ou Ti exposta ao plasma de Ar por 2 min em 75 W e depositar uma película fina de Au por 5 min em 75 w. Nota: Esta forma de eletrodo é determinada fim altamente concentrado campos elétricos na região mais estreita do canal. A relação da superfície do eletrodo, cuja área de 10 x 10 mm2 é exposta a um líquido, para a seção transversal do canal é idealmente 100: 1; Esta relação está prevista para ser suficiente para soltar o potencial elétrico do canal por uma grande quantidade de16.</li>
		<li>Solde uma linha de chumbo para uma aresta dos eletrodos, usando um ferro de solda.</li>
		<li>De uma folha de borracha de silicone grande, cortada em 2 câmaras, cada uma composta de um 1 x 1 x 1 canal de fluxo de3 mm colocados entre reservatórios de3 2 10 x 10 x 1 mm, usando uma faca cirúrgica (ver Figura 3). Estas peças podem ser substituídas por PDMS.</li>
		<li>Recortar uma membrana de permuta catiónica com espessura média de 127 µm a 20 x 30 mm, usando um estilete ou uma faca cirúrgica, como mostrado na Figura 3.</li>
		<li>Ultrasonicate cada parte em água pura por 15 min, aplicando 100 W.</li>
		<li>Inserir uma membrana de permuta catiónica entre as câmaras usando uma pinça, como mostrado na Figura 3. Isto separará 2 soluções de eletrólitos de diferentes concentrações.</li>
		<li>Pressione e selar a pilha das câmaras e membrana de permuta catiónica com placas de vidro, cujas dimensões são 26 milímetros de largura e 38 mm de comprimento.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparação das soluções
	<ol>
<li>Preparar uma dispersão de partículas de poliestireno do diâmetro médio de 1,01 µm em um 1 x 10− 2 mol/L tris (hidroximetil) aminometano etilenodiaminotetracético ácido (Tris-EDTA) solução tampão, onde a relação do volume é ajustada a 1 x 10 − 2 de % vol.</li>
		<li>Prepare uma mistura de 1 mol/L de KCl e 1 x 10− 2 mol/L de Tris-EDTA.</li>
		<li>Injetar a partícula de Tris-EDTA/poliestireno e as soluções de Tris-EDTA/KCl as câmaras superiores e inferiores, respectivamente, através de agulhas de seringa inserido da parede lateral das câmaras. Nota: A quantidade das soluções injetado em cada câmara é de cerca de 210 µ l.</li>
		<li>Espere por cerca de 18 h, até que a solução é equilibrada como resultado de uma difusão dos íons para relaxar a diferença de concentração iônica entre as camadas superiores e inferiores. Nota: No processo de difusão, K+ na solução superior e H+ na membrana são esperados para penetrar a membrana primeiro e Cl− é esperado para segui-los.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Sistemas de instalação e medição experimentais
	<ol>
<li>Defina o dispositivo experimental desenvolvido no passo 2.1 no palco do microscópio invertido com a mão, como mostrado na Figura 3. Conecte uma câmera CMOS de alta velocidade para monitorar as trajetórias dos movimentos das partículas e gravar os dados de observação em um computador, o microscópio.</li>
		<li>Aplicar uma diferença de potencial elétrica de 2 V para 6 s entre os dois eletrodos, usando um gerador de função como fonte de energia.</li>
		<li>Para confirmar que os fluxos EHD são induzidos por transporte de iões, medir as correntes ionic, simultaneamente, usando um amperímetro de40.</li>
		<li>Analise as trajetórias gravadas das partículas pela partícula velocimetry (PTV) método39de rastreamento. Nota: Após as observações, a velocidade de fluxo EHD é avaliada pelo método de PTV, que é possível usando o software apropriado, para rastrear o deslocamento de partículas e avaliar numericamente a velocidade. Uma explicação detalhada dos métodos de PTV e como usá-los é omitida aqui porque análises de PTV foram amplamente utilizadas e os procedimentos de computações dependem do software e sistema operacional que está sendo usado.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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O., Aubry, N., Batton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electro-hydrodynamic+micro-fluidic+mixer.">Electro-hydrodynamic micro-fluidic mixer.</a> Lab on a Chip. 3, 273-280 (2003).</li><li>Bart, S. F., Tavrow, L. S., Mehregany, M., Lang, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfabricated+electrohydrodynamic+pumps.">Microfabricated electrohydrodynamic pumps.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 21, 193-197 (1990).</li><li>Ashikhmin, I. A., Stishkov, Y. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+insulating+walls+on+the+structure+of+electrodynamic+flows+in+a+channel.">Effect of insulating walls on the structure of electrodynamic flows in a channel.</a> Technical Physics. 57, 1181-1187 (2012).</li><li>Yano, A., Doi, K., Kawano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+electrohydrodynamic+flow+through+a+pore+in+ion-exchange+membrane.">Observation of electrohydrodynamic flow through a pore in ion-exchange membrane.</a> International Journal of Chemical Engineering and Applications. 6, 254-257 (2015).</li><li>Doi, K., Yano, A., Kawano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrohydrodynamic+flow+through+a+1+mm2+cross-section+pore+placed+in+an+ion-exchange+membrane.">Electrohydrodynamic flow through a 1 mm2 cross-section pore placed in an ion-exchange membrane.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 119, 228-237 (2015).</li><li>Yano, A., Shirai, H., Imoto, M., Doi, K., Kawano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concentration+dependence+of+cation-induced+electrohydrodynamic+flow+passing+through+an+anion+exchange+membrane.">Concentration dependence of cation-induced electrohydrodynamic flow passing through an anion exchange membrane.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 56, 097201 (2017).</li><li>Nagura, R., Doi, K., Kawano, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterisation+of+microparticle+transport+driven+by+ionic+current+conditions+in+electrically+polarized+aqueous+solutions.">Characterisation of microparticle transport driven by ionic current conditions in electrically polarized aqueous solutions.</a> Micro &amp; Nano Letters. 12, 526-531 (2017).</li><li>Doi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonequilibrium+ionic+response+of+biased+mechanically+controllable+break+junction+(MCBJ)+electrodes.">Nonequilibrium ionic response of biased mechanically controllable break junction (MCBJ) electrodes.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 118, 3758-3765 (2014).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

O objetivo deste estudo foi separar os cátions e ânions em solução aquosa, em termos de números de transportes e distribuições espaciais. Usando uma membrana de troca aniónica, o transporte de ânions e cátions pode ser retificado na membrana e em um canal de fluxo que penetra a membrana, respectivamente. Alternativamente, uma membrana de permuta catiónica que separados, alta e baixa, soluções de concentração trabalhou para gerar soluções eletricamente polarizadas após um considerável tempo de espera. C...

Recentemente, técnicas de controle de vazão de líquidos têm atraído muita atenção por causa de juros nas aplicações de microe nanofluidos dispositivos1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. em soluções polares, tais como soluções aquosas e líquidos iônicos, íons e eletricamente partículas carregadas geralmente trazem sobre cargas elétricas em fluxos líquidos. O transporte de tais partículas polarizadas fornece uma expansão de várias aplicações, tais como manipulação de único-molécula6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17,1812,dispositivos do diodo íon e o fluxo líquido de controle19,20,21,22. Fluxo de DHE desde um fenômeno aplicável para sistemas de controle de vazão de líquidos Stuetzer1,2 inventou a bomba de arraste de íons. Melcher e Taylor3 publicou um artigo importante em que o quadro teórico de fluxo EHD bem foi revisado e algumas experiências de destaque também foram demonstradas. Saville4 e seus colegas de trabalho23,24 contribuíram para a expansão do seguinte das tecnologias EHD em líquidos. No entanto, houve algumas limitações para induzir fluxos líquidos, impulsionados por forças elétricas, porque dezenas de kV têm de ser aplicadas em líquidos para injetar as cargas elétricas nas soluções não-polares, tais como óleos, polarizar os1,2 , 3. esta é uma desvantagem para soluções aquosas, porque a electrólise da água que é induzido por um potencial elétrico superior 1,23 V altera as características das soluções e faz com que as soluções instáveis.
Em canais de microe nanofluidos, cargas de superfície das paredes do canal causam a concentração dos counterions que efetivamente induzir fluxos de electroosmotic (EOFs) sob aplicados externamente campos elétricos25,26,27 ,28,29. Usando EOFs, algumas técnicas de bombeamento de líquido foram aplicadas em soluções aquosas, reduzindo as tensões elétricas30,31,32. Por outro lado, EOFs limitam-se a ser gerado no micro e nanospaces, em que áreas de superfície se tornam mais dominantes que volumes de líquido. Além disso, dependendo do transporte de íons altamente concentrados de muito perto as superfícies de parede, tais como em camadas dobro elétricas, o limite de deslizamento só faz com que o fluxo de líquido, que pode não ser suficiente para fazer de gradientes de pressão7, 8 , 22 , 26 , 27. fine tuning, tais como dimensões do canal e concentrações de sal, é necessária para as aplicações de EOF. Em contraste, EHD flui impulsionado pelo corpo forças parecem estar disponíveis para o transporte de massas e energias se as tensões de aplicação podem ser reduzidas para evitar a degradação de solventes. Recentemente, alguns pesquisadores sugeriram aplicações de fluxos EHD com baixas tensões33,34,35,36. Embora essas tecnologias ainda não foram implementadas, as fronteiras são esperadas para expandir.
Em estudos anteriores, também foi realizado trabalho experimental e teórico na EHD fluxos em soluções aquosas37,38,39,40. Era suposto que a rectificação de vias de transporte do íon foi eficaz para gerar soluções eletricamente carregadas que causam as forças de corpo elétrico sob campos elétricos. Usando uma membrana de troca iônica e um canal de fluxo que atravessam a membrana, fomos capazes de retificar correntes iônicas. Ao aplicar uma membrana de troca aniónica, cátions concentraram no fluxo do canal arrastou os solventes e desenvolvido um EHD fluxo37,38,39. Uma diferença na mobilidade da espécie iônica foi um fator importante ao separar as correntes catiônicas e aniônicas. Membranas de troca iônica efetivamente trabalharam para modular a mobilidade devido a seletividade de íons. Fenômenos de transporte de íons também foram investigados do ponto de vista da densidade de corrente iônica influenciada pela aplicação de campos elétricos41. Estes estudos têm sido frutíferos para o desenvolvimento de técnicas de manipulação de moléculas simples, ou seja, micro e nanopartículas, cujos movimentos são fortemente afetados por flutuações térmicas11,16,17 . EOFs e EHD fluxos são esperados para expandir a variedade de métodos de controle de fluxo de precisão, bem como gradientes de pressão.
Neste estudo, demonstramos dois métodos para unidade EHD fluxos em soluções aquosas. Em primeiro lugar, uma solução de NaOH é usada para um fluido de trabalho para conduzir um EHD fluxo37,38,39. Uma membrana de troca aniónica separa o líquido em duas partes. Um canal de fluxo do polydimethylsiloxane (PDMS) com uma secção transversal de 1 x 1 mm e um comprimento de 3 mm penetra a membrana. Aplicando um potencial elétrico de 2.2 V, o transporte eletroforético de at+, H+e OH− íons é induzido ao longo de campos elétricos. Uma membrana de troca aniónica e um canal de fluxo trabalham eficazmente para separar as vias de transporte de íons, onde ânions predominantemente passam através da membrana e cátions concentrar-se no canal de fluxo, embora ambas as espécies geralmente se movem em direções opostas, manter o electroneutrality. Assim, tal condição não causa uma força motriz para fluxos líquidos. Essa estrutura é fundamental para gerar um fluxo de DHE, cuja velocidade de fluxo atinge na ordem de 1 mm/s no canal porque altamente concentrada cações aceleradas por campos elétricos externos arrastar moléculas de solventes. EHD fluxos são observados e gravados, usando um microscópio e uma câmera de alta velocidade, como mostrado na Figura 1. Em segundo lugar, uma diferença de concentração entre duas fases líquidas separadas por uma membrana de troca iônica provoca uma condição eletricamente polarizada ser gerado atravessar uma membrana de troca iônica40. Neste estudo, encontramos a importância de um considerável tempo de espera para equilibrar as distribuições de íon e um potencial elétrico correspondente, que causam preferíveis condições aplicar uma força de corpo em um líquido. Atravessando a membrana de troca iônica, é alcançada uma condição fracamente polarizada. Em tal condição, um campo elétrico aplicado externamente induz transporte de íon direcional que gera uma força de corpo em um líquido, e como resultado, a transferência dinâmica de íons para o solvente desenvolve um fluxo EHD.
Como mencionado acima, os dispositivos presentes conseguir diminuir drasticamente a diferença de tensão aplicada a alguns volts, e, portanto, esse método é pode ser usado para soluções aquosas, embora os métodos de injeção de carga elétrica convencional exigido dezenas de kV e limitam-se a um aplicativo para soluções não aquosos.

<table><tbody><tr><td>Sylgard 184</td><td>Dow Corning Corp.</td><td>3097366-0516, 3097358-1004</td><td>PDMS</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>012-00343</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>054-00461</td><td></td></tr><tr><td>0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>196-02195</td><td></td></tr><tr><td>Pottasium Chloride</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>163-03545</td><td></td></tr><tr><td>Tris-EDTA buffer 100x concentrate</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>T9285-10014L</td><td></td></tr><tr><td>2.93 &amp;mu;m polystyrene particle</td><td>Merck KGaA</td><td>L300 Rouge</td><td>Tracer particle</td></tr><tr><td>1.01 &amp;mu;m polystyrene particle</td><td>Merck KGaA</td><td>K100(23716)</td><td>Tracer particle</td></tr><tr><td>Anion exchange membrane</td><td>ASTOM Corp.</td><td>Neosepta AHA</td><td></td></tr><tr><td>Gold (Au)</td><td>Furuuchi Chemical Corp.</td><td>AUT-13301X</td><td>Sputtering target metal</td></tr><tr><td>Titanium</td><td>Furuuchi Chemical Corp.</td><td>TIT-72301X</td><td>Sputtering target metal</td></tr><tr><td>Chromium</td><td>Furuuchi Chemical Corp.</td><td>CRT-24301X</td><td>Sputtering target metal</td></tr><tr><td>Hight-speed CMOS camera</td><td>Keyence Corp.</td><td>VW-600M</td><td></td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Keyence Corp.</td><td>VW-9000</td><td></td></tr><tr><td>Data logger</td><td>Keyence Corp.</td><td>NR-500, NR-HA08</td><td></td></tr><tr><td>Laser displacement meter</td><td>Keyence Corp.</td><td>LK-G5000, LK-H008W</td><td></td></tr><tr><td>PIV and PTV software</td><td>DITECT Co. Ltd.</td><td>Flownizer 2D</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td>AMTEK Inc.&amp;nbsp;</td><td>VersaSTAT4</td><td></td></tr><tr><td>Inverted microscope</td><td>Olympus Corp.</td><td>IX73</td><td></td></tr><tr><td>High-speed CMOS camera</td><td>Andor Technology Ltd.</td><td>Zyla 5.5 sCMOS</td><td></td></tr><tr><td>Function generator</td><td>NF Corp.&amp;nbsp;</td><td>WF1945B</td><td></td></tr><tr><td>Function generator</td><td>NF Corp.&amp;nbsp;</td><td>WF1973</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner</td><td>AS ONE Corp.</td><td>AS22GTU</td><td></td></tr><tr><td>Rotary pump</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>G-100S</td><td>Degas liquid PDMS</td></tr><tr><td>Rotary pump</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>GLD-201A</td><td>Sputtering&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Molecular diffusion pump</td><td>ULVAC, Inc.</td><td>VPC-400</td><td>Sputtering</td></tr></tbody></table>

generation and control of electrohydrodynamic flows in aqueous electrolyte solutions

Para conduzir electrohydrodynamic (DHE) flui em soluções aquosas, a separação das vias de transporte de cátion e ânion é essencial porque uma força dirigida corpo elétrico tem que ser induzida por movimentos iônicos em líquido. Por outro lado, cargas positivas e negativas se atraem, e electroneutrality é mantida em todos os lugares em condições de equilíbrio. Além disso, um aumento em uma tensão aplicada tem de ser suprimido para evitar a electrólise da água, que faz com que as soluções tornar-se instável. Geralmente, EHD fluxos podem ser induzidos em soluções não-aquosas aplicando extremamente altas tensões, como dezenas de kV, para injetar as cargas elétricas. Neste estudo, dois métodos são introduzidos para gerar fluxos EHD induzidos por separações de carga elétrica em soluções aquosas, onde duas fases líquidas são separadas por uma membrana de troca iônica. Devido a uma diferença na mobilidade iônica na membrana, polarização de concentração do íon é induzida entre os dois lados da membrana. Neste estudo, demonstramos dois métodos. (i) o relaxamento de gradientes de concentração iônica ocorre através de um canal de fluxo que penetra uma membrana de troca iônica, onde o transporte das espécies mais lentos na membrana seletivamente se torna dominante no canal de fluxo. Esta é uma força motriz para gerar um fluxo de DHE no líquido. (ii) um longo tempo de espera para a difusão de íons, passando através da membrana de troca iônica permite a geração de um fluxo de iões-arrastado externamente aplicando um campo elétrico. Íons, concentradas-se em um canal de fluxo de2 seção 1 x 1 mm determinam a direção do fluxo de líquido, as vias de transporte eletroforético correspondente. Em ambos os métodos, a diferença de tensão elétrica necessária para uma geração de fluxo EHD é drasticamente reduzida para perto 2 V da retificando as vias de transporte de íons.

Figura 4 (figura a) apresenta um resultado representativo de uma geração de fluxo EHD, resultante da rectificação das vias de transporte de íons e cátions altamente concentrados que induziu um fluxo de líquido no canal, de acordo com a etapa 1 do protocolo. A Figura 5 mostra um resultado da análise de PIV, onde 20 dados pontos perto do centro do canal (y = z = 0 mm) foram em média. No caso da 1 x 10<sup...

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Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

A rectificação de vias de transporte do íon é um método eficaz de gerar fluxos de electrohydrodynamic de íon-arrastado unidirecional. Definindo uma membrana de troca iônica em um canal de fluxo, uma condição eletricamente polarizada é gerada e faz com que um fluxo de líquido a ser conduzido quando um campo elétrico é aplicado externamente.

Geração e controle de Electrohydrodynamic flui em soluções aquosas de eletrólito

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

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Universidad de Cartagena UDEC

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8.8K visualizações.  Osaka University. A rectificação de vias de transporte do íon é um método eficaz de gerar fluxos de electrohydrodynamic de íon-arrastado unidirecional. Definindo uma membrana de troca iônica em um canal de fluxo, uma condição eletricamente polarizada é gerada e faz com que um fluxo de líquido a ser conduzido quando um campo elétrico é aplicado externamente.

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Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization

The growth of anodic electroactive microbial biofilms from waste water inocula in a fed-batch reactor is demonstrated using a three-electrode setup controlled by a potentiostat. Thereby the use of potentiostats allows an exact adjustment of the electrode potential and ensures reproducible microbial culturing conditions. During growth the current production is monitored using chronoamperometry (CA). Based on these data the maximum current density (jmax) and the coulombic efficiency (CE) are discussed as measures for characterization of the bioelectrocatalytic performance. Cyclic voltammetry (CV), a nondestructive, i.e. noninvasive, method, is used to study the extracellular electron transfer (EET) of electroactive bacteria. CV measurements are performed on anodic biofilm electrodes in the presence of the microbial substrate, i.e. turnover conditions, and in the absence of the substrate, i.e. nonturnover conditions, using different scan rates. Subsequently, data analysis is exemplified and fundamental thermodynamic parameters of the microbial EET are derived and explained: peak potential (Ep), peak current density (jp), formal potential (Ef) and peak separation (&#916;Ep). Additionally the limits of the method and the state-of the art data analysis are addressed. Thereby this video-article shall provide a guide for the basic experimental steps and the fundamental data analysis.

Chronoamperometric growth of anodic electroactive microbial biofilms in a fed-batch reactor using a three-electrode setup, controlled by a potentiostat, is demonstrated. The extracellular electron transfer is characterized using cyclic voltammetry in the presence of the electron donor and in the absence of the electron donor. Fundamental data analysis is demonstrated.

The growth of anodic electroactive microbial biofilms from waste water inocula in a fed-batch reactor is demonstrated using a three-electrode setup ...

Ambiente

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

A preparação de eletro Pontes de Polar dielétricos líquidos

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Engenharia

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, which is essential for Lab-on-a-Chip applications. AC electrokinetic phenomena use electric fields to generate forces that act on fluids or suspended particles (including those made of dielectric or biological material) and cause them to move in astonishing ways1, 2. Within a single channel, AC electrokinetics can accomplish many essential on-chip operations such as active micro-mixing, particle separation, particle positioning and micro-pattering. A single device may accomplish several of those operations by simply adjusting operating parameters such as frequency or amplitude of the applied voltage. Suitable electric fields can be readily created by micro-electrodes integrated into microchannels. It is clear from the tremendous growth in this field that AC electrokinetics will likely have a profound effect on healthcare diagnostics3-5, environmental monitoring6 and homeland security7.

In general, there are three AC Electrokinetic phenomena (AC electroosmosis, dielectrophoresis and AC electrothermal effect) each with unique dependencies on the operating parameters. A change in these operating parameters can cause one phenomena to become dominant over another, thus changing the particle or fluid behavior. 

It is difficult to predict the behavior of particles and fluids due to the complicated physics that underlie AC electrokinetics. It is the goal of this publication to explain the physics and elucidate particle and fluid behavior. Our analysis also covers how to fabricate the electrode structures that generate them, and how to interpret a wide number of experimental observations using several popular device designs. This video article will help scientists and engineers understand these phenomena and may encourage them to start using AC Electrokinetics in their research.

Manipulating fluids and suspended particles in the micro- and nano-scale is becoming more of a reality as enabling technologies, like AC electrokinetics, continue to develop. Here, we discuss the physics behind AC electrokinetics, how to fabricate these devices and how to interpret the experimental observations.

Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, ...

Biologia

Microscale Vortex-assisted Electroporator for Sequential Molecular Delivery

Electroporation has received increasing attention in the past years, because it is a very powerful technique for physically introducing non-permeant exogenous molecular probes into cells. This work reports a microfluidic electroporation platform capable of performing multiple molecule delivery to mammalian cells with precise and molecular-dependent parameter control. The system&#8217;s ability to isolate cells with uniform size distribution allows for less variation in electroporation efficiency per given electric field strength; hence enhanced sample viability. Moreover, its process visualization feature allows for observation of the fluorescent molecular uptake process in real-time, which permits prompt molecular delivery parameter adjustments in situ for efficiency enhancement. To show the vast capabilities of the reported platform, macromolecules with different sizes and electrical charges (e.g., Dextran with MW of 3,000 and 70,000 Da) were delivered to metastatic breast cancer cells with high delivery efficiencies (&#62;70%) for all tested molecules. The developed platform has proven its potential for use in the expansion of research fields where on-chip electroporation techniques can be beneficial.

A microfluidic vortex assisted electroporation platform was developed for sequential delivery of multiple molecules into identical cell populations with precise and independent dosage control. The system&#8217;s size based target cell purification step preceding electroporation aided to enhance molecular delivery efficiency and processed cell viability.

Microescala Electroporator para entrega Sequential Molecular assistida por Vortex

Electroporation has received increasing attention in the past years, because it is a very powerful technique for physically introducing non-permeant ...

Bioengenharia

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. This paper proposes a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation. The polydimethylsiloxane (PDMS) chip was fabricated using the multi-layer soft lithography method. Hexadecane containing surfactant was used as the continuous phase, and PEGDA with the ultraviolet (UV) photo-initiator was the dispersed phase. Surfactants allowed the local surface tension to drop and formed a more cusped tip which promoted breaking into tiny micro-droplets. As the pressure of dispersed phase was constant, the size of droplets became smaller with increasing continuous phase pressure before dispersed phase flow was broken off. As a result, droplets with size variation from 1 &#181;m to 80 &#181;m in diameter could be selectively achieved by changing the pressure ratio in two inlet channels, and the average coefficient of variation was estimated to be below 7%. Furthermore, droplets could turn into micro-beads by UV exposure for photo-polymerization. Conjugating biomolecules on such micro-beads surface have many potential applications in the fields of biology and chemistry.

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Here, we present a protocol to illustrate the fabrication processes and verifying experiments of a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation.

Geração de tamanho controlado poli (etileno glicol) Diacrylate gotículas através de Semi-3-Dimensional Flow focando Microfluidic dispositivos

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

Controlando as velocidades de fluxo de fluidos ativos 3D baseados em microtúbulos usando temperatura

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

Aqueous Droplets Used as Enzymatic Microreactors and Their Electromagnetic Actuation

For the successful implementation of microfluidic reaction systems, such as PCR and electrophoresis, the movement of small liquid volumes is essential. In conventional lab-on-a-chip-platforms, solvents and samples are passed through defined microfluidic channels with complex flow control installations. The droplet actuation platform presented here is a promising alternative. With it, it is possible to move a liquid drop (microreactor) on a planar surface of a reaction platform (lab-in-a-drop). The actuation of microreactors on the hydrophobic surface of the platform is based on the use of magnetic forces acting on the outer shell of the liquid drops which is made of a thin layer of superhydrophobic magnetite particles. The hydrophobic surface of the platform is needed to avoid any contact between the liquid core and the surface to allow a smooth movement of the microreactor. On the platform, one or more microreactors with volumes of 10 &#181;L can be positioned and moved simultaneously. The platform itself consists of a 3 x 3 matrix of electrical double coils which accommodate either neodymium or iron cores. The magnetic field gradients are automatically controlled. By variation of the magnetic field gradients, the microreactors' magnetic hydrophobic shell can be manipulated automatically to move the microreactor or open the shell reversibly. Reactions of substrates and corresponding enzymes can be initiated by merging the microreactors or bringing them into contact with surface immobilized catalysts.

Lab-in-a-drop reaction systems allow the versatile implementation of complex reactions in a microfluidic scale. An automated actuation platform consisting of a 3 x 3 matrix of electromagnetic coils was developed and successfully used to merge two 10 &#181;L microreactors and thereby initiate an enzymatic reaction in the resulting liquid marbles.

Aquosas gotículas usadas como Microreactors enzimática e sua atuação eletromagnética

For the successful implementation of microfluidic reaction systems, such as PCR and electrophoresis, the movement of small liquid volumes is essential. In ...

Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid samples, such as chemical reagents and cell cultures, is predominantly accomplished through steady flows that are typically driven by syringe pumps, gravity, or capillary forces. The use of complementary oscillatory flows is seldom considered in applications despite its numerous advantages as recently demonstrated in the literature. The significant technical barrier to the implementation of oscillatory flows in microchannels is likely responsible for the lack of its widespread adoption. Advanced commercial syringe pumps that can produce oscillatory flow, are often more expensive and only work for frequencies less than 1 Hz. Here, the assembly and operation of a low-cost, plug-and-play type speaker-based apparatus that generates oscillatory flow in microchannels is demonstrated. High-fidelity harmonic oscillatory flows with frequencies ranging from 10-1000 Hz can be achieved along with independent amplitude control. Amplitudes ranging from 10-600 &#181;m can be achieved throughout the entire range of operation, including amplitudes &#62; 1 mm at the resonant frequency, in a typical microchannel. Although the oscillation frequency is determined by the speaker, we illustrate that the oscillation amplitude is sensitive to fluid properties and channel geometry. Specifically, the oscillation amplitude decreases with increasing channel circuit length and liquid viscosity, and in contrast, the amplitude increases with increasing speaker tube thickness and length. Additionally, the apparatus requires no prior features to be designed on the microchannel and is easily detachable. It can be used simultaneously with a steady flow created by a syringe pump to generate pulsatile flows.

The protocol demonstrates a convenient method to produce harmonic oscillatory flow from 10-1000 Hz in microchannels. This is performed by interfacing a computer-controlled speaker diaphragm to the microchannel in a modular manner.

Montagem e Caracterização de um Driver Externo para a Geração de Fluxo Oscilatório Sub-Kilohertz em Microcanais

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. The first device is built for the generation of simple drops driven by gravity. The second device is designed to generate emulsion drops in a coflowing scheme. The third device is an extension of the coflowing device with the addition of a third liquid that acts as an electric ground, allowing the formation of electrified drops that subsequently discharge. In this setup, two of the three liquids have an appreciable electrical conductivity. The third liquid mediates between these two and is a dielectric. A&#160;voltage difference applied between the two conducting liquids creates an electric field that couples with hydrodynamic stresses of the coflowing liquids, affecting the jet and drop formation process. The addition of the electric field provides a path to generate smaller drops than in simple coflow devices and for generating particles and fibers with a wide range of sizes.

Here, a protocol to manufacture glass-based microfluidic devices used for generating highly monodisperse emulsions with controlled drop size is presented.

Dispositivos baseados em vidro para gerar gotas e emulsões

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone

The ion concentration polarization (ICP) phenomenon is one of the most prevailing methods to preconcentrate low-abundance biological samples. The ICP induces a noninvasive region for charged biomolecules (i.e., the ion depletion zone), and targets can be preconcentrated on this region boundary. Despite the high preconcentration performances with ICP, it is difficult to find the operating conditions of non-propagating ion depletion zones. To overcome this narrow operating window, we recently developed a new platform for spatiotemporally fixed preconcentration. Unlike preceding methods that only use ion depletion, this platform also uses the opposite polarity of the ICP (i.e., ion enrichment) to stop the propagation of the ion depletion zone. By confronting the enrichment zone with the depletion zone, the two zones merge together and stop. In this paper, we describe a detailed experimental protocol to build this spatiotemporally defined ICP platform and characterize the preconcentration dynamics of the new platform by comparing them with those of the conventional device. Qualitative ion concentration profiles and current-time responses successfully capture the different dynamics between the merged ICP and the stand-alone ICP. In contrast to the conventional one that can fix the preconcentration location at only ~5 V, the new platform can produce a target-condensed plug at a specific location in the broad ranges of operating conditions: voltage (0.5-100 V), ionic strength (1-100 mM), and pH (3.7-10.3).

The protocol for a novel ion concentration polarization (ICP) platform that can stop the propagation of the ICP zone, regardless of the operating conditions is described. This unique ability of the platform lies in the use of merging ion depletion and enrichment, which are two polarities of the ICP phenomenon.

Mesclando Ion polarização de concentração entre justapostos Troca Iônica Membranas para bloquear a propagação da Zona Polarização

The ion concentration polarization (ICP) phenomenon is one of the most prevailing methods to preconcentrate low-abundance biological samples. The ICP ...