Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.

1. EHD flusso indotto da trasporto ionico rettificato
<ol><li>Sviluppo di un dispositivo di canale di flusso per rettificare i percorsi di trasporto dello ione
	<ol>
<li>Fare uno stampo PTFE del serbatoio:<ol>
<li>Tagliare un 13 x 30 x 10 stampo di3 mm da un blocco di politetrafluoroetilene (PTFE) utilizzando una fresatrice (Vedi Figura 2). In alternativa, acquistare un prodotto su misura.</li>
			<li>Lastre acriliche di 15 x 18 x 1 mm3 ad entrambe le estremità dello stampo PTFE con un adesivo di plastica, che renderà fessure nel serbatoio per saldare gli elettrodi bias di aderire. Queste parti possono essere tagliate da un grande piatto o acquistate.</li>
			<li>Aderire le lastre acriliche di 13 x 30 x 1 mm3 presso le superfici superiore e inferiore dello stampo PTFE con un adesivo di plastica per rendere le superfici planari per osservazione libera.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Mescolare un agente base e polimerizzazione di elastomero siliconico nel rapporto di 10:1 in una provetta da 50 mL e agitare il tubo a mano.</li>
		<li>Degas e utilizzando una pompa rotativa e trasferirsi il PDMS liquido in un recipiente vuoto.</li>
		<li>Rimuovere il tubo dal recipiente. Versare il PDMS in una 40 x 50 x 24 mm3 plastica la nave di plasmare la forma esterna del serbatoio e posizionare lo stampo del serbatoio (Vedi punto 1.1.1) in esso.</li>
		<li>Cuocere tutto il corpo del liquido PDMS su una piastra riscaldante a 80 ° C per circa 4 h.</li>
		<li>Dopo la cottura, isolare il serbatoio PDMS dallo stampo PTFE e il vaso esterno a mano. Fare una fessura attraverso il centro del serbatoio utilizzando un coltello chirurgico. Questo serviranno a mettere i bordi di una membrana di scambio anionico (preparato nel passaggio 1.1.16) in esso con una pinzetta. Nota: Il serbatoio PDMS è riempito più tardi, con soluzioni di elettroliti come mostrato nella Figura 2.</li>
		<li>Ottenere lastre di vetro (fatta da ordine speciale) con una forma circolare di 18 mm di diametro o in un quadrato con i bordi di 18 mm.</li>
		<li>Lavare le piastre di vetro li ammollo in acetone, etanolo e acqua pura (in questo ordine) in un bagno di ultrasuoni per 15 minuti ciascuno.</li>
		<li>Far saltare qualsiasi residui liquidi via con un fucile ad aria compressa o riscaldare le piastre di vetro con una piastra per 5 min a circa 473 K.</li>
		<li>Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire la superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 1 min a 75 W e successivamente, depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 W, impostare lo spessore a circa 100 nm. Nota: Prima di ricoprire la superficie di vetro con i metalli di destinazione, i campioni sono stati impostati in una camera a vuoto che è stata evacuata con una pompa rotativa e una pompa di diffusione molecolare fino a quando la pressione ridotta a 1 x 10− 2 PA.</li>
		<li>Saldare un piombo sulla superficie dell'elettrodo Au utilizzando un saldatore. Nota: La forma dell'elettrodo Au possibilmente può essere sostituita da piazze e fili elicoidali, mantenere le aree di superficie sufficientemente grande per generare correnti ioniche.</li>
		<li>Con le pinzette, impostare le lastre di vetro rivestite da una pellicola sottile di Au ad entrambe le estremità del serbatoio. Questi sono gli elettrodi di sbieco.</li>
		<li>Tagliare una membrana di scambio anionico in una forma rettangolare di 20 x 18 mm2 utilizzando forbici. Una superficie di 13 mm di larghezza e 10 mm di altezza è esposto ad un liquido. Qui, un taglierino o un coltello chirurgico può essere utilizzato anche per tagliare la membrana.</li>
		<li>Tagliare un pezzo rettangolare di 3 x 5.5 mm2 da un bordo della membrana con le forbici. Nota: Lo spessore della membrana di scambio anionico è 220 µm. La membrana è facilmente tagliare con forbici o un taglierino. I bordi della membrana sono parzialmente risolto con le fessure nella camera.</li>
		<li>Solidificare un blocco PDMS con una bacchetta di acciaio inox di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 nello stesso modo come nei passaggi 1.1.4 - 1.1.5, per creare un canale di flusso che penetra la membrana. Lasciare la costruzione di una notte e poi tirare l'asta inox fuori dal blocco PDMS.</li>
		<li>Tagliare il PDMS blocco con un canale di flusso quadrati in un 3 x 6 x 4.5 mm pezzo (vedere Figura 2) utilizzando un coltello chirurgico. Fare fessure lungo i bordi esterni, quindi allegarlo alla membrana entro l'apertura rettangolare. Nota: La faccia superiore del canale deve essere impostato in orizzontale per una chiara osservazione delle particelle nel flusso canale tramite la parete trasparente.</li>
	</ol></li>
	<li>Preparazione di soluzioni e pretrattamenti per esperimenti
	<ol>
<li>Preparare soluzioni acquose di NaOH alle concentrazioni di 1 x 10− 1, 1 x 10− 2e 1 x 10− 3 mol/L diluendo la soluzione di riserva.</li>
		<li>Fare in media una dispersione di particelle di polistirene di 2,93 µm di diametro in ciascuna delle soluzioni di NaOH preparate al punto 1.2.1 impostando la concentrazione a 4,2 x 10− 3 vol %. Nota: La dimensione delle particelle dell'elemento tracciante può essere modificata in modo appropriato per migliorare osservabilità.</li>
		<li>Ultrasonicate la membrana di scambio anionico formattato di 20 x 18 mm2 con una fessura di 3 x 5.5 mm2 2 x per 10 min in acqua pura a una potenza di 100 w.</li>
		<li>Con le pinzette, impostare la membrana di scambio anionico con il canale di flusso PDMS nel serbatoio PDMS. Riempire il serbatoio con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta. Nota: Il canale di flusso e superficie di membrana sono immersi nella soluzione, dove la superficie di membrana esposta alla soluzione è almeno 100 volte più grandi di sezione trasversale del canale di flusso.</li>
		<li>Applicare un potenziale elettrico di 2.2 V utilizzando una fonte di alimentazione DC in direzioni avanti e indietro per 2 h ogni serie, per migliorare la conducibilità della membrana prima dell'osservazione.</li>
		<li>Estrarre gli elettrodi Au con le pinzette. Rimuovere la soluzione dai serbatoi utilizzando una micropipetta.</li>
		<li>Impostare nuovi elettrodi Au nei serbatoi con le pinzette. Riempire i serbatoi con 4 mL di soluzione di NaOH con una micropipetta. Avviare le osservazioni quando la soluzione è equilibrata. Nota: Potrebbe richiedere pochi minuti di tempo di attesa fino a quando la convezione naturale si deposita giù, che può essere giudicata osservando il comportamento delle particelle di tracciante.</li>
	</ol></li>
	<li>Sistemi di misura e installazione sperimentale
	<ol>
<li>Impostare il frame rate e il tempo di esposizione di una macchina fotografica ad alta velocità metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS) a 500 fps e 1 ms, rispettivamente. Nota: Come indicato nella Figura 1, il dispositivo sperimentale è impostato sul palco di un microscopio collegato a una telecamera CMOS ad alta velocità per registrare i movimenti delle particelle. La visualizzazione viene ingrandita in un 15 a monitor con una lente X 100.</li>
		<li>Rimuovere tutte le bolle dal canale inserendo la punta di una micropipetta nella parte terminale del canale spingere o tirare fuori loro, prima di applicare un potenziale elettrico.</li>
		<li>Applicare esternamente un potenziale elettrico di 2.2 V sugli elettrodi bias Au. Contemporaneamente è possibile monitorare le risposte elettriche utilizzando un potenziostato o una fonte di alimentazione DC con un multimetro digitale. Nota: Il valore della tensione è determinato a essere il limite superiore, evitando l'elettrolisi di acqua che genera O2 e H2 bolle nella soluzione.</li>
		<li>Registrare il comportamento delle particelle tracciante sul computer.</li>
		<li>Misurare una differenza di potenziale elettrico tra entrambe le estremità del canale di flusso utilizzando elettrodi sonda Au e un multimetro digitale per confermare che il gradiente di concentrazione di ioni innesca un EHD flusso38,39.</li>
		<li>Determinare l'origine del sistema di coordinate cartesiano al centro del canale. Nota: La x- asse è lungo la direzione longitudinale di flusso e y- e z-assi sono in direzione orizzontale e verticale nella sezione trasversale del canale, rispettivamente, come illustrato nella Figura 2. Il canale PDMS trasparente consente flussi liquidi possano essere visualizzati lungo la x-asse. La vista è focalizzata sul piano xy a z = 0 controllando la profondità di fuoco. I dati di flusso sono indipendenti di x nella sezione prova tranne proprio vicino l'ingresso e l'uscita del canale, e il punto di osservazione è impostato a circa 0,75 mm a valle dall'origine, tale che x = 0,75, y = 0 e z = 0 mm.</li>
		<li>Dopo una singola misura (di 15 s), cortocircuitare gli elettrodi collegandoli a vicenda con un piombo per 20 min fino a quando la soluzione è equilibrata.</li>
		<li>Quindi, spostare la totalità della soluzione su un'altra nave (ad es., un flacone da 10 mL del campione) e mescolate con una micropipetta.</li>
		<li>Versate la soluzione agitata nella camera di nuovo utilizzando una micropipetta quando iterativamente effettua l'esperimento. Nota: Dopo l'osservazione, la velocità di flusso EHD è valutata mediante la particella image velocimetry (PIV) metodo39, che può essere fatto utilizzando il software appropriato per tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi PIV e come usarli è omesso qui perché analisi PIV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo utilizzato.</li>
	</ol></li>
</ol>2. osservazione dei flussi EHD indotta da catione
<ol><li>
Sviluppo del dispositivo sperimentale
	<ol>
<li>Costituiscono Au bias elettrodi con una superficie di2 26 x 10 mm sulla lastra di vetro inferiore secondo procedure analoghe a quelle precedentemente descritte nei passaggi 1.1.5 - 1.1.7.</li>
		<li>Utilizzando frequenze radio sputtering, rivestire una superficie di vetro con Cr o Ti esposti al plasma Ar per 2 min a 75 W e depositare un film sottile di Au per 5 min a 75 w. Nota: Questa forma dell'elettrodo è determinata al fine di concentrare altamente campi elettrici della regione canale più stretto. Il rapporto della superficie dell'elettrodo, la cui area di 10x10 mm2 è esposto ad un liquido, per la sezione trasversale del canale è idealmente 100: 1; Questo rapporto è previsto per essere sufficiente per eliminare il potenziale elettrico presso il canale di una grande quantità di16.</li>
		<li>Una linea di piombo un bordo degli elettrodi di saldatura utilizzando un saldatore.</li>
		<li>Da un foglio di gomma silicone di grandi dimensioni, tagliato 2 alloggiamenti, ciascuno composto di un 1 x 1 x 1 canale di flusso3 mm posizionato tra serbatoi di3 due 10 x 10 x 1 mm, utilizzando un coltello chirurgico (Vedi Figura 3). Queste parti possono essere sostituite da PDMS.</li>
		<li>Tagliare una membrana a scambio cationico con uno spessore medio di 127 µm a 20 x 30 mm utilizzando un taglierino o un coltello chirurgico, come mostrato nella Figura 3.</li>
		<li>Ultrasonicate ogni parte in acqua pura per 15 min applicando 100 W.</li>
		<li>Inserire una membrana a scambio cationico tra le camere con le pinzette, come mostrato nella Figura 3. Questo separerà 2 soluzioni dell'elettrolito delle concentrazioni differenti.</li>
		<li>Premere e sigillare la pila degli alloggiamenti e le membrane a scambio cationico con lastre di vetro le cui dimensioni sono 26 mm di larghezza e lunghezza di 38 mm.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparazione delle soluzioni
	<ol>
<li>Preparare una dispersione di particelle di polistirene del diametro medio di 1,01 µm in un 1 x 10− 2 mol/L tris (idrossimetil) amminometano Etilendiamminotetraacetico acido (Tris-EDTA) soluzione tampone, dove il rapporto di volume è regolato a 1 x 10− 2 % vol.</li>
		<li>Preparare una miscela di 1 mol/L di KCl e 1 x 10− 2 mol/L di Tris-EDTA.</li>
		<li>Iniettare la particella di Tris-EDTA/polistirolo e le soluzioni di Tris-EDTA/KCl in alloggiamenti superiore e inferiore, rispettivamente, tramite siringa aghi inseriti da pareti laterali degli alloggiamenti. Nota: La quantità delle soluzioni iniettato in ogni alloggiamento è circa 210 µ l.</li>
		<li>Attendere per circa 18 ore fino a quando la soluzione è equilibrata come risultato di una diffusione degli ioni per rilassarsi la differenza di concentrazione di ioni tra gli strati superiori e inferiori. Nota: Nel processo di diffusione, K+ nella soluzione superiore e H+ nella membrana sono tenuti a penetrare la membrana prima e Cl− è previsto a seguirli.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Sistemi di misura e installazione sperimentale
	<ol>
<li>Impostare il dispositivo sperimentale sviluppato nel passaggio 2.1 sul palco del microscopio invertito a mano, come mostrato nella Figura 3. Collegare il microscopio ad una fotocamera CMOS ad alta velocità per monitorare le traiettorie del moto delle particelle e registrare i dati di osservazione su un computer.</li>
		<li>Applicare una differenza di potenziale elettrico di 2 V per 6 s tra i due elettrodi utilizzando un generatore di funzioni come una fonte di alimentazione.</li>
		<li>Per confermare che EHD flussi sono indotti dal trasporto di ioni, misurare le correnti ioniche contemporaneamente utilizzando un amperometro40.</li>
		<li>Analizzare le traiettorie registrate delle particelle dalla particella velocimetry (PTV) metodo39di rilevamento. Nota: Dopo le osservazioni, la velocità di flusso EHD viene valutata tramite il metodo di PTV, che è possibile utilizzando il software appropriato, di tracciare lo spostamento delle particelle e valutare numericamente la velocità. Una spiegazione dettagliata dei metodi di PTV e come usarli è omesso qui perché analisi PTV sono stati ampiamente utilizzati e le procedure dei calcoli dipendono dal software e sistema operativo che viene utilizzato.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Lo scopo di questo studio era di separare cationi e anioni in soluzioni acquose in termini di distribuzioni spaziali e numeri di trasporto. Utilizzando una membrana di scambio anionico, il trasporto di anioni e cationi potrebbe essere corretti nella membrana e in un canale di flusso che penetra la membrana, rispettivamente. In alternativa, una membrana a scambio cationico che separati ad alta e bassa soluzioni di concentrazione ha lavorato per generare soluzioni polarizzate elettricamente dopo un tempo di attesa considerevole. Di conseguenza, rettificate correnti ioniche sono riusciti a ridurre le tensioni applicate per indurre ione-trascinato EHD flussi.
I metodi qui presentati sono disponibili per soluzioni acquose con tensioni di applicazione bassa in confronto ai metodi tradizionali che richiedono tensioni estremamente elevate di decine di kV per iniettare cariche elettriche in soluzioni non-polare. È stato chiarito che EHD flussi sono efficaci in soluzioni acquose, nonché soluzioni non-polare.
Tuttavia, gli attuali metodi dipendono l'elettrolisi dell'acqua per mantenere costante correnti ioniche in cui il potenziale ideale di elettrolisi dell'acqua è conosciuto per essere 1.23 V. Così, c'è una limitazione della tensione applicata per evitare di generare O2 e H2 bolle che modificare le proprietà di un liquido. Per ovviare a questa limitazione, materiali di elettrodi e soluzioni di elettroliti devono essere determinati in modo appropriato per impostare reazioni elettrochimiche alle superfici degli elettrodi per generare correnti ioniche nelle soluzioni. A ogni prova, superfici degli elettrodi devono essere lucidate e denudate per rendere un forte campo elettrico nella soluzione, migliorando le reazioni elettrochimiche.
In questo studio, è stato proposto l'uso di membrane a scambio ionico per rettificare le vie di trasporto di specie ioniche. D'altra parte, l'efficienza della generazione di flusso EHD sembrava dipendere la capacità delle membrane. Come descritto nel protocollo, la diffusione di ioni necessario un certo periodo di attesa fino a quando non diventa stabile. Di conseguenza, la pre-elaborazione per aumentare la conduttività delle membrane è cruciale per migliorare l'efficienza della generazione di flusso EHD. Quando mantenendo condizioni di corrente ioniche in campi elettrici applicati esternamente, sono migliorate proprietà di trasporto di ioni e condizioni polarizzate elettricamente sono efficacemente raggiunti.
In futuro, flussi EHD di soluzioni acquose si presume siano applicabili per sistemi di controllo di flusso del liquido in micro - e nanofluidiche dispositivi combinati con EOFs e simili. Inoltre, le applicazioni per i dispositivi medici, in cui ioni di trasporto ha un ruolo importante per stimolare le cellule biologiche e trasduzione del segnale, costituiscono anche una sfida.

Recentemente, tecniche di controllo di flusso del liquido hanno attirato molta attenzione a causa di interesse per le applicazioni di micro - e nanofluidiche dispositivi1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15. nelle soluzioni polari, quali soluzioni acquose e liquidi ionici, particelle cariche elettricamente e ioni di solito portare cariche elettriche nei flussi di liquidi. Il trasporto di tali particelle polarizzate fornisce un'espansione di varie applicazioni, come singola molecola manipolazione6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17, ion diodo dispositivi12,18e flusso di liquido di controllo19,20,21,22. Flusso EHD è stato un fenomeno applicabile per sistemi di controllo di flusso del liquido, poiché Stuetzer1,2 ha inventato la pompa di trascinamento dello ione. Melcher e Taylor3 ha pubblicato un articolo importante in cui il quadro teorico del flusso EHD era ben recensito e alcuni esperimenti eccezionali inoltre sono stati dimostrati. Saville4 e sue colleghe23,24 contribuito all'espansione seguente delle tecnologie EHD in liquidi. Tuttavia, c'erano alcune limitazioni per indurre il liquido scorre guidati da forze elettriche, perché decine di kV devono essere applicate in liquidi per iniettare cariche elettriche nelle soluzioni non-polari, quali oli, polarizzare li1,2 , 3. questo è uno svantaggio per soluzioni acquose, poiché l'elettrolisi di acqua che è indotta da un potenziale elettrico superiore a 1.23 V cambia le caratteristiche delle soluzioni e rende le soluzioni instabili.
Nei canali micro - e nanofluidiche, cariche di superficie delle pareti del canale causano la concentrazione di controioni che inducono in modo efficace il flusso elettroosmotico (EOFs) sotto campi elettrici applicati esternamente25,26,27 ,28,29. Utilizzando EOFs, alcune tecniche di pompaggio liquidi sono stati applicati in soluzioni acquose, riducendo la tensione elettrica30,31,32. D'altra parte, EOFs sono limitati a essere generata in micro - e nanospaces in cui le superfici diventano più dominante di volumi liquidi. Inoltre, a seconda del trasporto degli ioni altamente concentrati molto vicino le superfici della parete, come ad esempio in doppio strato elettrico, il limite di slittamento causa soltanto il flusso di liquido, che potrebbe non essere sufficiente per fare pressione pendenze7, 8 , 22 , 26 , 27. fine tuning, tali da canale dimensioni e concentrazioni saline, è richiesto per le applicazioni di EOF. Al contrario, EHD scorre guidato dal corpo forze sembrano essere disponibili per il trasporto di masse ed energie se le tensioni di applicazione possono essere ridotto per evitare degradanti solventi. Recentemente, alcuni ricercatori hanno suggerito le applicazioni dei flussi EHD con tensioni basse33,34,35,36. Anche se queste tecnologie non sono ancora state attuate, le frontiere sono dovrebbe espandere.
Negli studi precedenti, abbiamo anche condotto un lavoro sperimentale e teorico sui flussi di EHD in soluzioni acquose37,38,39,40. È stato supposto che la rettifica delle vie di trasporto di ioni era efficace per generare soluzioni elettricamente cariche che causano le forze del corpo elettrico sotto campi elettrici. Utilizzando una membrana di scambio ionico e un canale di flusso attraversa la membrana, siamo stati in grado di rettificare le correnti ioniche. Quando si applica una membrana di scambio anionico, cationi concentrano nel flusso di canale trascinato i solventi e sviluppato un EHD flusso37,38,39. Una differenza nella mobilità di specie ioniche era un fattore importante quando si separano le correnti cationiche e anioniche. Membrane a scambio ionico ha funzionato efficacemente per modulare la mobilità a causa della selettività ionica. Fenomeni di trasporto di ioni inoltre sono stati studiati dal punto di vista della densità di corrente ionica influenzato da campi elettrici applicati41. Questi studi sono stati proficui per sviluppare tecniche di manipolazione per singole molecole, vale a dire, micro - e nanoparticelle, cui movimenti sono fortemente influenzati da fluttuazioni termiche11,16,17 . EOFs ed EHD flussi si prevede di ampliare la varietà di metodi di controllo di flusso preciso, nonché di gradienti di pressione.
In questo studio, dimostriamo due metodi per unità EHD flussi in soluzioni acquose. In primo luogo, una soluzione di NaOH è usata per un fluido di lavoro per guidare un EHD flusso37,38,39. Una membrana di scambio anionico separa il liquido in due parti. Un canale di flusso di polidimetilsilossano (PDMS) con una sezione di 1 x 1 mm e una lunghezza di 3 mm penetra la membrana. Applicando un potenziale elettrico di 2.2 V, il trasporto elettroforetico di Na+, H+e ioni OH− è indotta lungo i campi elettrici. Una membrana di scambio anionico e un canale di flusso lavorare efficacemente per separare le vie di trasporto ionico, dove anioni dominante passano attraverso la membrana e cationi concentrano nel canale di flusso, anche se entrambe le specie di solito si muovono in direzioni opposte, mantenere l'elettroneutralità. Pertanto, tale condizione non causa una forza trainante per i flussi di liquidi. Questa struttura è fondamentale per generare un flusso EHD raggiunge la cui velocità di flusso dell'ordine di 1 mm/s nel canale perché altamente concentrato cationi accelerati da campi elettrici esterni trascinare delle molecole del solvente. EHD flussi sono osservati e registrati utilizzando un microscopio e una telecamera ad alta velocità, come mostrato nella Figura 1. In secondo luogo, una differenza di concentrazione tra due fasi liquide separate da una membrana di scambio ionico provoca una condizione polarizzata elettricamente da generare attraversando una membrana di scambio ionico40. In questo studio, troviamo l'importanza di un tempo di attesa considerevole a equilibrare le distribuzioni di ioni e un potenziale elettrico corrispondente, che causano condizioni preferibile applicare ad una forza di corpo in un liquido. Attraversando la membrana di scambio ionico, si ottiene una condizione debolmente polarizzata. In tale condizione, induce un campo elettrico applicato esternamente trasporto ionico direzionale che genera una forza di corpo in un liquido, e di conseguenza, il trasferimento di quantità di moto dagli ioni al solvente si sviluppa un flusso EHD.
Come accennato in precedenza, i dispositivi presenti riescono a diminuire drasticamente la differenza di tensione applicata a pochi volt, e quindi questo metodo è utilizzabile per soluzioni acquose, sebbene i metodi di iniezione di carica elettrica convenzionale richiedono decine di kV e sono limitati a un'applicazione per soluzioni non-acquose.

<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

A guidare idrodinamiche (EHD) scorre in soluzioni acquose, la separazione delle vie di trasporto di cationi e anioni è essenziale perché una forza di corpo elettrico diretto deve essere indotto da movimenti ionici in liquido. D'altra parte, cariche positive e negative si attraggono, ed elettroneutralità è mantenuto ovunque in condizioni di equilibrio. Inoltre, un aumento in una tensione applicata deve essere soppressa per evitare l'elettrolisi dell'acqua, che provoca le soluzioni per diventare instabile. Di solito, EHD flussi possono essere indotta in soluzioni non-acquose applicando tensioni estremamente elevate, come decine di kV, per iniettare cariche elettriche. In questo studio, vengono presentati due metodi per generare flussi EHD indotti da separazioni di carica elettrica in soluzioni acquose, dove due fasi liquide sono separati da una membrana di scambio ionico. A causa di una differenza nella mobilità ionica nella membrana, polarizzazione di concentrazione di ioni è indotto tra entrambi i lati della membrana. In questo studio, dimostriamo due metodi. (i) il rilassamento di gradienti di concentrazione di ioni si verifica tramite un canale di flusso che penetra una membrana di scambio ionico, dove il trasporto della specie più lento nella membrana selettivamente diventa dominante nel canale di flusso. Questa è una forza trainante per generare un flusso EHD nel liquido. (ii) un lungo tempo di attesa per la diffusione di ioni passando attraverso la membrana di scambio ionico consente la generazione di un flusso di ioni-trascinato da esternamente applicando un campo elettrico. Gli ioni concentrati in un canale di flusso di una sezione trasversale di 1 x 1 mm2 determinano la direzione del flusso del liquido, corrispondente per le vie di trasporto elettroforetica. In entrambi i metodi, la differenza di tensione elettrica necessaria per una generazione di flusso EHD viene drasticamente ridotta per vicino a 2 V di rettificare le vie di trasporto dello ione.

Figura 4 (video figura) presenta un risultato rappresentativo di una generazione di flusso EHD, conseguenti la rettifica delle vie di trasporto di ioni e cationi altamente concentrate che ha indotto un flusso di liquido nel canale, secondo la fase 1 del protocollo. La figura 5 Mostra un risultato dell'analisi PIV, dove 20 dati punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm) erano in media. Nel caso la 1 x 10− 1 mol/L di NaOH soluzione, quando un potenziale elettrico di 2.2 V è stato applicato a t = 5 s, la velocità delle particelle tracciante rapidamente aumentato ad un valore di picco. Dopo di che, la velocità è diminuito e convergente a 0. La velocità di picco raggiunto un vicino 2 mm/s. Si tratta di un tipico risultato di un flusso EHD generato utilizzando una membrana di scambio anionico e una 1 x 10− 1 mol/L della soluzione di NaOH.
È stato inoltre confermato che la velocità di trasporto elettroforetica delle particelle tracer era molto inferiore rispetto alla velocità di picco del flusso liquido a 1 x 10− 1 mol/L di NaOH soluzione38,39. Come discusso nella letteratura39, questo tipo di flusso EHD è considerato costituito da flussi invertiti trascinati da OH− passando attraverso la membrana e Na+ H+ concentrato nel canale di flusso per compensare l'anione trasporto nella membrana. Come la concentrazione in diminuzione, il comportamento di trasporto tendeva a diventare più lento. Ciò significa che la durata-fino a quando la velocità ha raggiunto un picco- e il tempo di decadimento sembrava di essere più a lungo, diminuendo il valore di picco della velocità. Questo risultato ha indicato che il numero di ioni cui moto è stato guidato da forze elettriche diminuito, e di conseguenza, la forza del corpo elettrico nel liquido inoltre è stata ridotta.
Un'osservazione importante è che continue correnti ioniche rettificate dalle interfacce selettiva dello ione causato delle molecole del solvente essere trascinato in una direzione e ciò ha causato un flusso liquido sviluppare. In questo caso, c'è una possibilità che il flusso di liquido è stato migliorato da polarizzazione di concentrazione di ioni attraversano la membrana di scambio anionico che ha attivato il flusso inverso nel canale. Questo punto è stato già citato in un precedente studio39. È stato supposto che anche campi AC erano efficaci nel controllare il liquido scorre periodicamente cambiando direzione. Il flusso EHD presente è stato limitato per le risposte transitorie a causa del numero limitato di ioni Na+ ; Questa situazione non era favorevole a mantenere una costante corrente cationica, anche se la tensione applicata di 2.2 V era sufficiente ad indurre l'elettrolisi dell'acqua. Per generare flussi costanti di EHD, vi proponiamo di trascinamento delle molecole del solvente con specie ioniche che dal vettore dominante della corrente ionica. Ulteriori dettagli saranno verificati nel nostro futuro lavoro. Qui, abbiamo introdotto un risultato rappresentativo di un flusso EHD che potrebbe essere indotta nelle soluzioni di NaOH da raddrizzatore percorsi di trasporto dello ione. Dettagli circa la dipendenza di concentrazione e le differenze di potenziale elettriche vengono discussi anche dai Yano, Doi e Kawano37,38 e Yano, Shirai, Imoto, Doi e Kawano39.
Figura 6 (video figura) Mostra un risultato rappresentativo del flusso EHD generato in una soluzione elettricamente polarizzata in condizioni di corrente ionica. La risposta della velocità del flusso EHD inoltre è stata analizzata tenendo traccia le particelle di tracciante, come illustrato nella Figura 7, che era un tipico risultato ottenuto tracciando una singola particella vicino al centro del canale di flusso. Quando è stato applicato un potenziale elettrico di 2 V da t = 2 per 8 s, particelle di polistirene ha risposto al campo elettrico applicato. A t = 2 s, la particella rapidamente traslocata nella direzione indietro, corrispondente al trasporto elettroforetico di cariche negative. Dopo una risposta in breve tempo, il flusso ha cambiato direzione di marcia e la velocità è diventato costante a 30 µm/s fino a quando il potenziale elettrico è stato spento.
In questo periodo, le particelle di polistirene caricate negativamente spostato nella direzione del trasporto di cariche positive. In generale, la direzione potrebbe non essere invertita spontaneamente sotto il campo elettrico unidirezionale, anche se la carica superficiale delle particelle era completamente schermata dai cationi contatore. Così, questo risultato ha indicato che cationi dislocati nella soluzione anche elettroforeticamente sono stati trasportati lungo i campi elettrici, trascinamento delle molecole del solvente che gradualmente sviluppato un flusso di liquido. Cariche negative altamente concentrano sulla superficie della particella ha causata una forza elettrica più forte di quella di cationi distribuiti nella soluzione e, così, in primo luogo ha guidato il trasporto in direzione negativa. Dopo di che, un flusso di liquido trascinato dalla corrente cationica aumentato una forza di trascinamento sulla particella. In questo regime, gradienti di velocità sono stati effettivamente osservati lungo il y-asse perpendicolare alla direzione del flusso e, così, una generazione di flusso liquido è stata effettivamente confermata.
Il comportamento delle particelle di polistirene interessati da flussi EHD inoltre è stato valutato in uno studio precedente, ed è stato trovato che la velocità del flusso EHD proporzionalmente aumentato con una crescente corrente ionica. Un tempo di attesa di oltre 18 h prima di applicare un campo elettrico esterno è il fattore più importante per indurre un flusso costante di EHD, perché ci vuole così tanto tempo per le distribuzioni di ioni essere equilibrati dal momento che sono quasi uniforme nel canale. Di conseguenza, si osservano costantemente modelli di Poiseuille-come flusso. D'altra parte, non abbiamo potuto confermare un flusso costante quando il tempo di attesa non era sufficiente per realizzare distribuzioni uniforme dello ione.
Dopo aver osservato una velocità costante, il potenziale elettrico è stato spento a t = 8 s. Qui, per cambiare rapidamente la differenza di potenziale elettrico da 2 a 0 V, gli elettrodi schermati possono richiedere un'applicazione eccessiva del potenziale elettrico per fare entrambe le superfici di elettrodo equivalente. In tale processo, gli ioni altamente concentrati vicino a superfici degli elettrodi ricevano forze elettriche repulsive, invertita che provocano correnti ioniche. Soprattutto, la corrente cationica che era dominante nello strato inferiore ha provocato un flusso di liquido deve essere generato e una risposta transitoria nella direzione indietro è stato effettivamente osservato nel risultato sperimentale, che immediatamente è apparso quando il potenziale elettrico era spento e convergente a 0 µm/s. Tali processi nella generazione di flusso EHD erano tipici in questo esperimento. Accanto il flusso costante di EHD, i flussi inversi osservato durante l'accensione il potenziale elettrico e fuori sono anche interessanti. Nelle risposte transitorie, reazioni elettrochimiche alle superfici degli elettrodi possibilmente causano gradienti di concentrazione di ioni drastiche che inducono la diffusione potenziale così come applicato esternamente potenziali elettrici. Tale trasporto di ioni complicati fenomeni non è ancora stato chiarito abbastanza e, pertanto, sono gli argomenti per essere risolto in un futuro lavoro.
I meccanismi di generazione del flusso EHD sono presentati schematicamente nella Figura 8. Un flusso EHD indotto nelle soluzioni di NaOH è illustrato nella Figura 8una, corrispondente al caso di Figura 4. Il flusso EHD trascinato da Na+ nel canale viene attivato tramite il trasporto di OH− in una membrana a scambio anionico. Il flusso instabile è causato dalla dissipazione a causa di smorzamento di flusso di massa, quantità di moto flusso smorzamento, superficie mobilità ed Elettrowetting delle superfici degli elettrodi. Un altro meccanismo di EHD flusso indotto condizioni correnti cationici che sono più dominante rispetto a quelli anionici, è rappresentato in Figura 8b. K+ ioni penetrano prima una membrana a scambio cationico, causando condizioni di catione-dominante, e, di conseguenza, flusso EHD è indotta lungo la corrente cationica.
Come descritto in precedenza, mantenendo condizioni polarizzate elettricamente in condizioni di correnti ioniche riducendo l'applicazione dei potenziali elettrici è chiave per generare flussi di EHD costanti. Utilizzando i metodi presenti, pochi volt può essere sufficiente per indurre EHD scorre in soluzioni acquose, sebbene l'elettrolisi dell'acqua è necessario mantenere costante correnti ioniche per migliorare il trasferimento di slancio dagli ioni dell'elettrolito di molecole di solvente.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig1.jpg"> Figura 1 : Fotografia della messa a punto sperimentale per l'osservazione di flusso EHD. Moto delle particelle di tracciante vengono tracciati da un microscopio collegato a una telecamera ad alta velocità, le traiettorie di registrazione nel controller. Potenziali elettrici vengono applicati utilizzando un potenziostato o una fonte di energia elettrica di CC. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig2.jpg"> Figura 2 : Illustrazione schematica di un dispositivo sperimentale. Un canale di flusso fatto di PDMS è fissato in una membrana a scambio anionico e riempito con una soluzione acquosa di NaOH. Au elettrodi ad entrambe le estremità della soluzione. L'origine della coordinata è impostato al centro del canale di flusso quadrati e un'area di osservazione è in un piano xy vicino a x = 0,75 e z = 0 mm. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig2large.jpg" target="_blank">per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig3.jpg"> Figura 3 : Fotografia della messa a punto sperimentale e diagramma schematico di un dispositivo per indurre un flusso EHD catione-trascinato in una soluzione elettricamente polarizzato. Un 1 mol/L KCl e 1 x 10− 2 mol/L Tris-soluzione tampone all'EDTA e una 1 x 10− 2 vol % polistirene (PSt) dispersione delle particelle in una 1 x 10− 2 mol/L Tris-soluzione tampone all'EDTA sono separati da una membrana a scambio cationico, dove il diametro medio della le particelle di PSt è 1.01 µm. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig4.jpg"> Figura 4 (video figura): un film di flusso EHD guidato dal trasporto di ioni Na+ concentrato nel canale di flusso. Le particelle di tracciante vengono trasportate lungo la direzione del campo elettrico quando viene applicato un potenziale elettrico di 2.2 V a t = 5 s. polistirolo negativamente caricati particelle sono portate al lato catodo in un flusso EHD guidato dalla corrente cationica il canale. Nel caso di una 1 x 10− 1 mol/L della soluzione di NaOH, una velocità di picco vicino a 2 mm/s viene raggiunta rapidamente dopo l'applicazione di un potenziale elettrico e la velocità successivamente decade a zero. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/fig4.mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig5.jpg"> Figura 5 : La risposta del flusso EHD osservata nel canale di flusso, risultanti dall'analisi PIV per il film registrato di Nella figura 4. La risposta della velocità (linea blu continua) è stata ottenuta dalla media dei 20 punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm). La velocità è aumentato rapidamente dopo l'applicazione di una tensione elettrica di 2.2 V a 5 s e gradualmente converge a 0 mm/s. La sequenza della tensione applicata è inoltre indicata con una linea tratteggiata rossa. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig6.jpg"> Figura 6 (video figura): un film di flusso EHD osservato in una soluzione elettricamente polarizzata, che separa una 1 mol/L KCl soluzione polistirolo dispersione e utilizzando una membrana a scambio cationico. Relativo all'applicazione di un potenziale elettrico di 2 V t = 2 per 8 s, il trasporto delle particelle di tracciante riflette un flusso EHD guidato da una corrente cationica. Una velocità di flusso costante raggiunge 30 µm/s durante l'applicazione del potenziale. Inoltre, le particelle rispondono anche brevemente in direzione negativa quando il potenziale elettrico è attivato e disattivato perché la carica elettrica di una particella colpisce in primo luogo il movimento. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/fig6.mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig7.jpg"> Figura 7 : La risposta di flusso EHD osservata nel canale, risultanti dall'analisi PTV per il film registrato di Figura 6. La risposta della velocità (linea blu continua) è stata ottenuta da una singola particella vicino al centro del canale di rilevamento. La sequenza della tensione applicata è inoltre indicata con una linea tratteggiata rossa. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57820/57820fig8.jpg"> Figura 8 : Schemi di EHD flusso meccanismi di generazione corrispondente nelle figure 4 e 5 (pannello a) e 6 e 7 (pannello b). (una) flussi di liquido sono indotti in una soluzione acquosa di NaOH che è separata con una membrana di scambio anionico, dove EOF indotta da un trasporto− OH nella membrana innesca un flusso trascinato da un trasporto Na+ nel canale ed è parzialmente dissipato con flusso di massa di smorzamento, flusso di quantità di moto di smorzamento, superficie mobilità ed Elettrowetting delle superfici degli elettrodi. (b) il cationici corrente è più dominante rispetto alla corrente anionica perché K+ penetra in primo luogo una membrana a scambio cationico, che contribuisce a un flusso di liquido trascinato dai cationi in condizioni di corrente costante che coinvolgono acqua elettrolisi. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57820/57820fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

La rettifica delle vie di trasporto di ioni è un metodo efficace per generare flussi unidirezionale dello ione-trascinato idrodinamiche. Impostando una membrana di scambio ionico in un canale di flusso, una condizione polarizzata elettricamente viene generata e provoca un flusso liquido essere guidato quando un campo elettrico viene applicato esternamente.

Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

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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Nanyang Technological University

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8.8K Views.  Osaka University. La rettifica delle vie di trasporto di ioni è un metodo efficace per generare flussi unidirezionale dello ione-trascinato idrodinamiche. Impostando una membrana di scambio ionico in un canale di flusso, una condizione polarizzata elettricamente viene generata e provoca un flusso liquido essere guidato quando un campo elettrico viene applicato esternamente.

Video: Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

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 ...

Ricerca

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.

La preparazione di Electrohydrodynamic Ponti da Polar dielettrici liquidi

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

Ingegneria

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.

Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

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.

Microscala Vortex-assistita Elettroporatore per sequenziale molecolare di consegna

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

Bioingegneria

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.

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

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.

Controllo delle velocità di flusso dei fluidi attivi 3D basati su microtubuli utilizzando la 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.

Acquose goccioline utilizzate come microreattori enzimatica e loro attuazione elettromagnetica

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.

Assemblaggio e caratterizzazione di un driver esterno per la generazione di flussi oscillatori sub-kilohertz in microcanali

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.

Dispositivi a base di vetro per generare gocce ed emulsioni

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.

Unire Ion Concentrazione polarizzazione tra giustapposti Ion membrane a scambio di bloccare la propagazione della Zona Polarizzazione

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