Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

In der mikroskopischen Welt der Fluiddynamik, in der Flüssigkeiten durch Kanäle fließen, die dünner als ein menschliches Haar sind, ändern sich die üblichen Gesetze der Bewegung. In diesen winzigen Räumen bewegen sich Wasser und andere Flüssigkeiten so langsam, dass sie sich eher wie dicker Honig als wie reißende Flüsse verhalten; die Kraft der Reibung, oder Viskosität, dominiert dabei die Trägheitskraft, die einen geworfenen Ball nach dem Loslassen aus der Hand in Bewegung hält, vollkommen. Unter diesen Bedingungen, wenn man versucht, zwei verschiedene Flüssigkeitsströme nebeneinander zu mischen, werden sie nicht natürlich zusammenwirbeln. Stattdessen gleiten sie wie Öl und Wasser aneinander vorbei und bleiben über lange Distanzen perfekt getrennt, sofern sie nicht aktiv gerührt werden. Wissenschaftler suchen seit langem nach Wegen, diese winzigen Ströme zu mischen, ohne mechanische Teile zu verwenden, die brechen oder verstopfen könnten, und wenden sich stattdessen der Elektrizität zu. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Flüssigkeit, die gelöste Salze enthält, können Forscher die Flüssigkeit bewegen, ein Prozess, der als Elektrokinetik bekannt ist. Diese Technik beruht jedoch meist auf den Eigenschaften der Kanalwände oder der Oberfläche der Flüssigkeit. Ein subtilerer und kraftvollerer Effekt tritt auf, wenn die Flüssigkeit selbst nicht gleichmäßig ist, insbesondere wenn sich ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, von einem Ort zum anderen verändert.

Forscher der Florida State University untersuchten kürzlich, was passiert, wenn ein Pfropfen aus schlecht leitender Flüssigkeit zwischen zwei Regionen hochleitender Flüssigkeit in einer winzigen, gekrümmten Pore eingebettet ist und dann einem elektrischen Strom ausgesetzt wird. Sie bauten ein Computermodell einer mikroskopischen Pore, die einer schmalen Sanduhr geformt ist, bestehend aus vier kreisförmigen, festen Oberflächen, die an den Enden enge Verengungen und in der Mitte einen breiteren, offenen Raum schaffen. In diese Pore führten sie einen niederleitenden Flüssigkeitspfropfen ein und trieben ihn mit einem stetigen Fluss voran, während sie ein direktes elektrisches Feld entlang des Kanals anlegten. Das Ziel war zu sehen, wie der Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit mit dem elektrischen Feld interagiert, um die Strömung zu stören. Da die Flüssigkeit in der Mitte die Elektrizität schlecht leitet, intensiviert sich das elektrische Feld in dieser Region natürlich, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten, ganz ähnlich wie Wasser beschleunigt, wenn es durch ein enges Rohr gepresst wird. Diese Konzentration des elektrischen Feldes, kombiniert mit der scharfen Grenze zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten, erzeugt eine kleine, aber signifikante Akkumulation elektrischer Ladung innerhalb des Volumens der Flüssigkeit. Diese Ladung spürt daraufhin einen Stoß durch das elektrische Feld, was eine Kraft erzeugt, die die Flüssigkeit von innen heraus aufwirbeln kann.

Die Simulationen zeigten, dass dieser elektrische Stoß stark genug ist, um eine dramatische, vorübergehende Störung der Strömung zu erzeugen, obwohl die Flüssigkeit sich so langsam bewegt, dass die Trägheit keine Rolle spielt. Als das elektrische Feld auf eine Stärke von 20.000 Volt pro Meter eingestellt wurde, stieg die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im exakten Zentrum der Pore auf mehr als das Doppelte der einströmenden Fließgeschwindigkeit. Dieser Anstieg war kein stationärer Zustand, sondern ein flüchtiges Ereignis; die Flüssigkeitsgeschwindigkeit schoss schnell in die Höhe, erreichte einen Spitzenwert und pendelte sich dann wieder ein, während der Flüssigkeitspfropfen durch die Pore wanderte und die scharfen Grenzen zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten durch natürliche Diffusion geglättet wurden. Die Forscher beobachteten, dass die Flüssigkeit nicht nur geradlinig beschleunigte, sondern auch eine komplexe, wirbelnde Bewegung entwickelte, die sich seitwärts bewegte. Diese transversale Bewegung kehrte mehrmalig die Richtung um – sie drückte die Flüssigkeit erst in die eine Richtung, kehrte dann um, um sie in die andere Richtung zu drücken, bevor sie schließlich abklang, als die Unterschiede in der Leitfähigkeit verschwanden. Diese Vorwärts- und Rückwärtsbewegung wurde nicht durch den Impuls der Flüssigkeit verursacht, sondern durch die Verschiebung der Lage der elektrischen Kräfte, während die Leitfähigkeitsgrenzen innerhalb der gekrümmten Geometrie der Pore wanderten und sich deformierten.

Die Studie zeigte, dass die Stärke des elektrischen Feldes als eine Art Hauptsteuerung fungiert, wie intensiv diese Störung wird. Als die Forscher das elektrische Feld von Null auf 30.000 Volt pro Meter erhöhten, stieg die maximale Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Zentrum der Pore stetig an, von einem Basiswert von etwa 1,4-facher Fließgeschwindigkeit auf fast das 2,7-fache. Die Zeitplanung dieser Ereignisse blieb jedoch bemerkenswert konsistent. Unabhängig davon, wie stark das elektrische Feld war, erreichte die Flüssigkeit ihre Spitzengeschwindigkeit und vollführte ihre Richtungswechselkanäle zu etwa denselben Zeitpunkten. Dies deutet darauf deuten, dass während das elektrische Feld bestimmt, wie stark die Flüssigkeit gedrückt wird, die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit durch die Pore fließt, und die Rate, mit der sich die verschiedenen Flüssigkeiten natürlich vermischen, den Zeitplan der Störung diktieren. Das elektrische Feld verstärkt den Effekt, aber der Transport der Flüssigkeit selbst kontrolliert den Rhythmus.

Als sich die verschiedenen Flüssigkeiten vermischten und die scharfen Grenzen zwischen ihnen verschwammen, schwächten die elektrischen Kräfte, die die Wirbelbewegung antrieben, ab und verschwanden schließlich. Die Forscher verfolgten diesen Prozess, indem sie die Durchmischung der beiden Flüssigkeiten maßen und den durch die Pore fließenden elektrischen Strom überwachten. Sie fanden heraus, dass stärkere elektrische Felder zu einer viel schnelleren und vollständigeren Durchmischung führten, wobei die Flüssigkeiten in den stärksten Feldern nahezu homogen wurden. Der aus der Pore austretende elektrische Strom zeigte ein deutliches Muster: Er sprang zu Beginn schnell an, sank leicht ab, als der niederleitende Pfropfen den engsten Teil der Pore passierte, und erholte sich dann langsam auf ein stabiles Niveau. Dieses Absinken und die anschließende Erholung lieferten eine klare elektrische Signatur der Reise des Pfropfens durch die Verengung. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Leitfähigkeitsgradienten signifikante, transiente Sekundärströmungen in gekrümmten Mikro-Poren erzeugen können, was einen leistungsstarken Mischmechanismus schafft, der vollständig auf der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und den eigenen elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit beruht. Dies legt nahe, dass es durch die sorgfältige Gestaltung der Form mikroskopischer Kanäle und die Kontrolle der elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeiten möglich ist, hocheffiziente Mischer für chemische und biologische Anwendungen ohne bewegliche Teile zu schaffen.