Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

Nel mondo microscopico della fluidodinamica, dove i liquidi scorrono attraverso canali più sottili di un capello umano, le solite regole del movimento cambiano. In questi spazi minuscoli, l'acqua e altri liquidi si muovono così lentamente che si comportano più come miele denso che come fiumi impetuosi; la forza dell'attrito, o viscosità, domina completamente sulla forza dell'inerzia che fa continuare a muoversi una palla lanciata dopo che ha lasciato la mano. In queste condizioni, se si tenta di mescolare due diversi flussi di liquido uno accanto all'altro, essi non si mescoleranno naturalmente vorticando insieme. Invece, scivoleranno l'uno accanto all'altro come olio e acqua, rimanendo perfettamente separati per lunghe distanze a meno che qualcosa non li agiti attivamente. Gli scienziati cercano da tempo modi per mescolare questi minuscoli flussi senza utilizzare parti meccaniche che potrebbero rompersi o intasarsi, rivolgendosi invece all'elettricità. Applicando un campo elettrico a un liquido contenente sali disciolti, i ricercatori possono spingere il fluido, un processo noto come elettrocinetica. Tuttavia, questa tecnica solitamente si basa sulle proprietà delle pareti del canale o della superficie del liquido. Un effetto più sottile e potente si verifica quando il liquido stesso non è uniforme, specificamente quando la sua capacità di condurre elettricità cambia da un punto all'altro.

Ricercatori della Florida State University hanno esplorato recentemente cosa accade quando un tappo di liquido a bassa conducibilità viene incastrato tra due regioni di liquido ad alta conducibilità all'interno di un piccolo poro curvo, e poi sottoposto a una corrente elettrica. Hanno costruito un modello al computer di un poro microscopico a forma di una stretta clessidra, formato da quattro superfici solide circolari che creano strettezze ai lati e uno spazio centrale più ampio e aperto. In questo poro, hanno introdotto un tappo di fluido a bassa conducibilità e lo hanno spinto attraverso con un flusso costante applicando un campo elettrico a corrente continua lungo la lunghezza del canale. L'obiettivo era vedere come la discrepanza nella conducibilità elettrica interagirebbe con il campo elettrico per disturbare il flusso. Poiché il liquido al centro conduce elettricità scarsamente, il campo elettrico si intensifica naturalmente in quella regione per mantenere il passaggio della corrente, proprio come l'acqua accelera quando viene forzata attraverso un tubo stretto. Questa concentrazione del campo elettrico, combinata con il confine netto tra i diversi liquidi, crea un piccolo ma significativo accumulo di carica elettrica all'interno del corpo del fluido. Questa carica sente quindi una spinta dal campo elettrico, generando una forza che può agitare il liquido dall'interno verso l'esterno.

Le simulazioni hanno rivelato che questa spinta elettrica è abbastanza potente da creare un disturbo drammatico e temporaneo nel flusso, anche se il liquido si muove così lentamente che l'inerzia non gioca alcun ruolo. Quando il campo elettrico è stato impostato a una forza di 20.000 volt per metro, la velocità del fluido proprio al centro del poro è aumentata di oltre il doppio rispetto alla velocità del flusso in entrata. Questo aumento non era uno stato stazionario, ma un evento fugace; la velocità del fluido è aumentata rapidamente, ha raggiunto un picco e poi si è stabilizzata mentre il tappo di liquido passava attraverso il poro e i confini netti tra i diversi liquidi si smussavano a causa della naturale diffusione. I ricercatori hanno osservato che il fluido non solo accelerava in linea retta, ma sviluppava anche un movimento rotatorio complesso che si muoveva lateralmente. Questo movimento trasversale cambiava direzione diverse volte, prima spingendo il fluido in una direzione, poi invertendo per spingerlo dall'altra, prima di svanire infine man mano che le differenze di conducibilità scomparivano. Questo movimento avanti e indietro non era causato dal momento del fluido, ma dallo spostamento della posizione delle forze elettriche mentre i confini di conducibilità viaggiavano e si deformavano all'interno della geometria curva del poro.

Lo studio ha dimostrato che l'intensità del campo elettrico agisce come un controllo maestro su quanto diventa intenso questo disturbo. Quando i ricercatori hanno aumentato il campo elettrico da zero a 30.000 volt per metro, la velocità massima del fluido al centro del poro è aumentata costantemente, passando da una base di circa 1,4 volte la velocità del flusso a quasi 2,7 volte. Tuttavia, la tempistica di questi eventi è rimasta sorprendentemente costante. Indipendentemente da quanto fosse forte il campo elettrico, il fluido raggiungeva la sua velocità massima e compiva le sue inversioni di direzione approssimativamente negli stessi momenti temporali. Ciò indica che, mentre il campo elettrico determina quanto fortemente il fluido viene spinto, la velocità con cui il liquido si muove attraverso il poro e il tasso con cui i diversi liquidi si mescolano naturalmente dettano il programma del disturbo. Il campo elettrico amplifica l'effetto, ma il trasporto del liquido ne controlla il ritmo.

Man mano che i diversi liquidi si mescolavano e i confini netti tra di essi si sfumavano, le forze elettriche che guidavano il movimento rotatorio si indebolivano e infine svanivano. I ricercatori hanno monitorato questo processo misurando quanto bene i due liquidi si mescolassero e monitorando la corrente elettrica che fluiva fuori dal poro. Hanno scoperto che campi elettrici più forti portavano a un mescolamento molto più rapido e completo, con i liquidi che diventavano quasi uniformi nei campi più forti. La corrente elettrica in uscita dal poro mostrava un modello distinto: aumentava rapidamente all'inizio, diminuiva leggermente mentre il tappo a bassa conducibilità passava attraverso la parte più stretta del poro, e poi si riprendeva lentamente verso un livello costante. Questo calo e recupero forniva una chiara firma elettrica del viaggio del tappo attraverso la restrizione. I risultati confermano che i gradienti di conducibilità possono generare flussi secondari transitori significativi in micropori curvi, creando un potente meccanismo di miscelazione che si basa interamente sull'interazione tra il campo elettrico e le proprietà elettriche del fluido stesso. Ciò suggerisce che, progettando attentamente la forma dei canali microscopici e controllando le proprietà elettriche dei fluidi, è possibile creare miscelatori altamente efficienti per applicazioni chimiche e biologiche senza alcuna parte mobile.