Électro-ensemencement - Electrowetting

L'électroérosion est la modification des propriétés de mouillage d'une surface (qui est généralement hydrophobe ) avec un champ électrique appliqué .

Histoire

Le comportement d'électromouillage du mercure et d'autres liquides sur des surfaces à charge variable a probablement été expliqué pour la première fois par Gabriel Lippmann en 1875 et a certainement été observé beaucoup plus tôt. AN Frumkin a utilisé la charge de surface pour changer la forme des gouttes d' eau en 1936. Le terme électromouillage a été introduit pour la première fois en 1981 par G. Beni et S. Hackwood pour décrire un effet proposé pour la conception d'un nouveau type de dispositif d'affichage pour lequel ils ont reçu un brevet . L'utilisation d'un «transistor fluide» dans les circuits microfluidiques pour la manipulation de fluides chimiques et biologiques a été étudiée pour la première fois par J. Brown en 1980, puis financée en 1984-1988 dans le cadre des subventions NSF 8760730 et 8822197, utilisant des couches diélectriques et hydrophobes isolantes ( EWOD), fluides non miscibles, courant continu ou RF; et des tableaux de masse d'électrodes miniatures entrelacées (en dents de scie) avec de grandes électrodes en oxyde d'indium et d'étain (ITO) pour déplacer numériquement les nano gouttelettes dans des chemins linéaires, circulaires et dirigés, pomper ou mélanger des fluides, remplir les réservoirs et contrôler le débit de fluide électroniquement ou optiquement. Plus tard, en collaboration avec J. Silver au NIH, l'électromouillage à base d'EWOD a été divulgué pour des fluides uniques et non miscibles pour déplacer, séparer, maintenir et sceller des réseaux de sous-échantillons de PCR numériques.

L'électromouillage utilisant une couche isolante sur une électrode nue a ensuite été étudié par Bruno Berge en 1993. L'électromouillage sur cette surface revêtue de diélectrique est appelé électromouillage sur diélectrique (EWOD) pour le distinguer de l'électromouillage conventionnel sur l'électrode nue. L'électro-électroérosion peut être démontrée en remplaçant l'électrode métallique du système EWOD par un semi - conducteur . L'électro-électroérosion est également observée lorsqu'une polarisation inverse est appliquée à une gouttelette conductrice (par exemple du mercure) qui a été placée directement sur une surface semi-conductrice (par exemple du silicium) pour former un contact Schottky dans une configuration de circuit électrique à diode Schottky - cet effet a été appelé ' Électromouillage Schottky ».

La manipulation microfluidique de liquides par électromouillage a été démontrée d'abord avec des gouttelettes de mercure dans l'eau et plus tard avec de l'eau dans l'air et de l'eau dans l'huile. La manipulation des gouttelettes sur un trajet bidimensionnel a été démontrée plus tard. Si le liquide est discrétisé et manipulé par programmation, l'approche est appelée "Circuits Microfluidiques Numériques" ou "Microfluidiques Numériques". La discrétisation par électromouillage sur diélectrique (EWOD) a été démontrée pour la première fois par Cho, Moon et Kim.

Théorie de l'électro-turbinage

L'effet d' électromouillage a été défini comme « le changement de solide - électrolyte angle de contact due à une appliquée la différence de potentiel entre le solide et l'électrolyte. » Le phénomène d'électromouillage peut être compris en termes de forces qui résultent du champ électrique appliqué. Le champ frangeant aux coins de la gouttelette d'électrolyte a tendance à tirer la gouttelette vers le bas sur l'électrode, abaissant l'angle de contact macroscopique et augmentant la surface de contact de la gouttelette. En variante, l'électromouillage peut être considéré d'un point de vue thermodynamique. Puisque la tension superficielle d'une interface est définie comme l' énergie libre de Helmholtz nécessaire pour créer une certaine zone de cette surface, elle contient à la fois des composants chimiques et électriques, et la charge devient un terme significatif dans cette équation. Le composant chimique est simplement la tension superficielle naturelle de l'interface solide / électrolyte sans champ électrique. Le composant électrique est l'énergie stockée dans le condensateur formé entre le conducteur et l'électrolyte.

La dérivation la plus simple du comportement d'électromouillage est donnée en considérant son modèle thermodynamique. S'il est possible d'obtenir un modèle numérique détaillé d'électromouillage en considérant la forme précise du champ de franges électrique et comment il affecte la courbure locale des gouttelettes, de telles solutions sont complexes d'un point de vue mathématique et calculatoire. La dérivation thermodynamique se déroule comme suit. Définition des tensions superficielles pertinentes comme suit:

${\ displaystyle \ gamma _ {ws} \,}$ - La tension superficielle totale, électrique et chimique, entre l'électrolyte et le conducteur

${\ displaystyle \ gamma _ {ws} ^ {0} \,}$ - La tension superficielle entre l'électrolyte et le conducteur à champ électrique nul

${\ displaystyle \ gamma _ {s} \,}$ - La tension superficielle entre le conducteur et l'ambiance extérieure

${\ displaystyle \ gamma _ {w} \,}$ - La tension superficielle entre l'électrolyte et l'ambiance extérieure

${\ displaystyle \ theta}$ - l'angle de contact macroscopique entre l'électrolyte et le diélectrique

${\ displaystyle C}$ - La capacité de l'interface, є _r є ₀ / t, pour un diélectrique uniforme d'épaisseur t et de permittivité є _r

${\ displaystyle V}$ - La tension effective appliquée, intégrale du champ électrique de l'électrolyte au conducteur

Relier la tension superficielle totale à ses composants chimiques et électriques donne:

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

L' angle de contact est donné par l'équation de Young-Dupré, la seule complication étant que l'énergie de surface totale est utilisée: ${\ displaystyle \ gamma _ {ws}}$

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

La combinaison des deux équations donne la dépendance de θ sur la tension effective appliquée comme:

${\ displaystyle \ cos \ theta = \ left ({\ frac {\ gamma _ {s} - \ gamma _ {ws} ^ {0} + {\ frac {CV ^ {2}} {2}}} {\ gamma _ {w}}} \ right) \,}$

Une complication supplémentaire est que les liquides présentent également un phénomène de saturation: après une certaine tension, la tension de saturation, l'augmentation supplémentaire de la tension ne changera pas l'angle de contact, et avec des tensions extrêmes, l'interface ne montrera que des instabilités.

Cependant, la charge de surface n'est qu'une composante de l'énergie de surface, et d'autres composants sont certainement perturbés par la charge induite. Ainsi, une explication complète de l'électromouillage n'est pas quantifiée, mais il ne devrait pas être surprenant que ces limites existent.

Il a été récemment montré par Klarman et al. cette saturation de l'angle de contact peut être expliquée comme un effet universel - quels que soient les matériaux utilisés - si l'électromouillage est observé comme un phénomène global affecté par la géométrie détaillée du système. Dans ce cadre, il est prédit qu'un électromouillage inversé est également possible (l'angle de contact croît avec la tension).

Il a également été démontré expérimentalement par Chevaloitt que la saturation de l'angle de contact est invariante pour tous les paramètres des matériaux, révélant ainsi que lorsque de bons matériaux sont utilisés, la plupart des théories de saturation sont invalides. Ce même article suggère en outre que l'instabilité électrohydrodynamique peut être la source de saturation, une théorie qui n'est pas prouvée mais qui est également suggérée par plusieurs autres groupes.

Électromouillage inversé

L'électromouillage inversé peut être utilisé pour récolter de l'énergie via un schéma d'ingénierie mécanique-électrique.

Electro-étuvage sur film infusé de liquide (EWOLF)

Une autre configuration d'électromouillage est l' électromouillage sur un film infusé de liquide . Le film infusé de liquide est obtenu en bloquant un lubrifiant liquide dans une membrane poreuse grâce au contrôle délicat des propriétés de mouillage des phases liquide et solide. Profitant de l'épinglage négligeable de la ligne de contact à l'interface liquide-liquide, la réponse aux gouttelettes dans EWOLF peut être adressée électriquement avec un degré amélioré de commutabilité et de réversibilité par rapport à l'EWOD conventionnel. De plus, l'infiltration de phase lubrifiante liquide dans la membrane poreuse améliore également efficacement la dissipation d'énergie visqueuse, supprimant l'oscillation des gouttelettes et conduisant à une réponse rapide sans sacrifier la réversibilité d'électromouillage souhaitée. Pendant ce temps, l'effet d'amortissement associé à l'EWOLF peut être adapté en manipulant la viscosité et l'épaisseur du lubrifiant liquide.

Opto et photoélectro-électroérosion

L'optoélectromouillage et le photoélectro - électroérosion sont tous deux des effets d'électromouillage induits optiquement. L'optoélectro- électro-électrolyse implique l'utilisation d'un photoconducteur alors que la photoélectrotation utilise une photocapacité et peut être observée si le conducteur dans l'empilement liquide / isolant / conducteur utilisé pour l'électromouillage est remplacé par un semi - conducteur . En modulant optiquement le nombre de porteurs dans la région de charge d'espace du semi-conducteur, l'angle de contact d'une gouttelette de liquide peut être modifié de manière continue. Cet effet peut être expliqué par une modification de l'équation de Young-Lippmann.

Matériaux

Pour des raisons encore à l'étude, seul un ensemble limité de surfaces présente le comportement d'électromouillage théoriquement prédit. Pour cette raison, des matériaux alternatifs qui peuvent être utilisés pour revêtir et fonctionnaliser la surface sont utilisés pour créer le comportement de mouillage attendu. Par exemple, les fluoropolymères amorphes sont des matériaux de revêtement électromouillage largement utilisés, et il a été trouvé que le comportement de ces fluoropolymères peut être amélioré par la configuration de surface appropriée. Ces fluoropolymères recouvrent l'électrode conductrice nécessaire, généralement constituée d'une feuille d'aluminium ou d'oxyde d'indium et d'étain (ITO), pour créer les propriétés d'électromouillage souhaitées. Trois types de tels polymères sont disponibles dans le commerce: les polymères de la série V hydrophobes et superhydrophobes FluoroPel sont vendus par Cytonix , CYTOP est vendu par Asahi Glass Co. et Teflon AF est vendu par DuPont . D'autres matériaux de surface tels que le SiO2 et l'or sur verre ont été utilisés. Ces matériaux permettent aux surfaces elles-mêmes d'agir comme électrodes de masse pour le courant électrique.

Applications

L'électro-enrobage est maintenant utilisé dans une large gamme d' applications, des objectifs modulaires aux objectifs réglables, des écrans électroniques ( papier électronique), des écrans d'extérieur électroniques et des commutateurs pour fibres optiques. L'électro-étuvage a récemment été évoqué pour manipuler la matière molle en particulier, supprimant l' effet de tache de café . En outre, des filtres avec fonctionnalité d'électromouillage ont été suggérés pour nettoyer les déversements d'hydrocarbures et séparer les mélanges huile-eau.

Rencontre internationale

Une rencontre internationale d'électromouillage a lieu tous les deux ans. La réunion la plus récente s'est tenue du 18 au 20 juin 2018 à l'Université de Twente, aux Pays-Bas.

Les hôtes précédents de la réunion d'électromouillage sont: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Angeles (2008), Pohang (2010), Athènes (2012), Cincinnati (2014), Taipei (2016).

Voir également

• Microfluidique
• Mouillage
• Matière douce
• Jonction métal-semi-conducteur

Les références

Liens externes

• Fan-TASY Lab de l'Université nationale de Taiwan
• Wheeler Digital Microfluidics Group à l'Université de Toronto
• Electroetting à l'Université de Cincinnati.
• Microfluidique numérique à l'Université Duke
• Physique des fluides complexes à l'Université de Twente
• Schéma expliquant l'électromouillage
• Progrès avec les écrans d'électromouillage
• Écran flexible électro-ensablé à UC NanoLab, Université de Cincinnati
• Écran de 6,2 pouces à électroérosion basse fréquence Liquidvista
• Développement complet de systèmes et de dispositifs avec spécialisation dans le prototypage d'électromouillage. Collaboration avec l'Université de Cincinnati.