Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

In de microscopische wereld van de vloeistofdynamica, waar vloeistoffen door kanalen stromen die dunner zijn dan een menselijk haar, veranderen de gebruikelijke regels van beweging. In deze minuscule ruimtes bewegen water en andere vloeistoffen zo langzaam dat ze meer lijken op dikke honing dan op kolkende rivieren; de kracht van wrijving, of viscositeit, domineert volledig over de kracht van traagheid die ervoor zorgt dat een gegooid object blijft bewegen nadat het uit je hand is gelaten. Onder deze omstandigheden zullen twee verschillende stromen vloeistof die naast elkaar stromen, niet natuurlijk samen gaan draaien. In plaats daarvan glijden ze langs elkaar heen zoals olie en water, waarbij ze lange afstanden perfect gescheiden blijven, tenzij er iets actief doorheen roert. Wetenschappers zoeken al lang naar manieren om deze kleine stromen te mengen zonder mechanische onderdelen die zouden kunnen breken of verstoppen, en wenden zich in plaats daarvan tot elektriciteit. Door een elektrisch veld aan te leggen op een vloeistof die opgeloste zouten bevat, kunnen onderzoekers de vloeistof rondduwen, een proces dat elektrokinetiek wordt genoemd. Deze techniek vertrouwt echter meestal op de eigenschappen van de kanaalwanden of het oppervlak van de vloeistof. Een subtieler en krachtiger effect treedt op wanneer de vloeistof zelf niet uniform is, specifiek wanneer het vermogen om elektriciteit te geleiden van de ene plek naar de andere verandert.

Onderzoekers aan Florida State University verkenden onlangs wat er gebeurt wanneer een prop slecht geleidende vloeistof wordt ingeklemd tussen twee regio's van zeer geleidende vloeistof binnen een kleine, gebogen porie, en vervolgens wordt blootgesteld aan een elektrische stroom. Ze bouwden een computermodel van een microscopische porie in de vorm van een smalle zandloper, gevormd door vier cirkelvormige vaste oppervlakken die nauwe vernauwingen aan de uiteinden en een bredere, open ruimte in het midden creëren. In deze porie introduceerden ze een slecht geleidende vloeistofprop en duwden deze voort met een constante stroom terwijl ze een gelijkstroom elektrisch veld langs de lengte van het kanaal aanlegden. Het doel was om te zien hoe de mismatch in elektrische geleidbaarheid zou interageren met het elektrische veld om de stroming te verstoren. Omdat de vloeistof in het midden slecht elektriciteit geleidt, intensiveert het elektrische veld zich van nature binnen die regio om de stroom gaande te houden, vergelijkbaar met hoe water versnelt wanneer het door een nauwe pijp wordt gedwongen. Deze concentratie van het elektrische veld, gecombineerd met de scherpe grens tussen de verschillende vloeistoffen, creëert een kleine maar significante opbouw van elektrische lading binnen de bulk van de vloeistof. Deze lading voelt vervolgens een duw van het elektrische veld, wat een kracht genereert die de vloeistof van binnenuit kan doorroeren.

De simulaties onthulden dat deze elektrische duw krachtig genoeg is om een dramatische, tijdelijke verstoring in de stroming te veroorzaken, zelfs hoewel de vloeistof zo langzaam beweegt dat traagheid geen enkele rol speelt. Wanneer het elektrische veld werd ingesteld op een sterkte van 20.000 volt per meter, steeg de snelheid van de vloeistof in het exacte centrum van de porie naar meer dan twee keer de snelheid van de inkomende stroom. Deze versnelling was geen stationaire toestand maar een vluchtig evenement; de vloeistofsnelheid schoot snel omhoog, bereikte een piek en zakte daarna weer terug naarmate de prop vloeistof door de porie bewoog en de scherpe grenzen tussen de verschillende vloeistoffen afvlakten door natuurlijke diffusie. De onderzoekers observeerden dat de vloeistof niet alleen in een rechte lijn versnelde, maar ook een complexe, kolkende beweging ontwikkelde die zijwaarts bewoog. Deze transversale beweging wisselde meerdere keren van richting, eerst de vloeistof de ene kant op duwend, en daarna omkerend om de andere kant op te duwen, voordat het uiteindelijk vervaagde naarmate de verschillen in geleidbaarheid verdwenen. Deze heen-en-weer beweging werd niet veroorzaakt door de impuls van de vloeistof, maar door de verschuivende locatie van de elektrische krachten terwijl de geleidheidsgrenzen door de gebogen geometrie van de porie reisden en vervormden.

De studie toonde aan dat de sterkte van het elektrische veld fungeert als een meestercontrole voor hoe intens deze verstoring wordt. Wanneer de onderzoekers het elektrische veld verhoogden van nul naar 30.000 volt per meter, nam de maximale snelheid van de vloeistof in het centrum van de porie gestaag toe, van een basislijn van ongeveer 1,4 keer de stroomsnelheid naar bijna 2,7 keer. De timing van deze gebeurtenissen bleef echter opmerkelijk consistent. Ongeacht hoe sterk het elektrische veld was, bereikte de vloeistof zijn topsnelheid en voerde zijn directionele omkeeringen uit op ongeveer dezelfde momenten in de tijd. Dit geeft aan dat hoewel het elektrische veld bepaalt hoe hard de vloeistof wordt geduwd, de snelheid waarmee de vloeistof door de porie beweegt en de snelheid waarmee de verschillende vloeistoffen natuurlijk mengen, het schema van de verstoring dicteren. Het elektrische veld versterkt het effect, maar het transport van de vloeistof zelf controleert het ritme.

Terwijl de verschillende vloeistoffen mengden en de scherpe grenzen tussen hen vervaagden, verzwakten de elektrische krachten die de kolkende beweging aanstuurden en verdwenen ze uiteindelijk. De onderzoekers volgden dit proces door te meten hoe goed de twee vloeistoffen mengden en door de elektrische stroom te monitoren die uit de porie stroomde. Ze ontdekten dat sterkere elektrische velden leidden tot veel snellere en completere menging, waarbij de vloeistoffen bijna uniform werden in de sterkste velden. De elektrische stroom die de porie verliet vertoonde een duidelijk patroon: deze sprong snel omhoog aan het begin, daalde licht terwijl de slecht geleidende prop door het smalste deel van de porie passeerde, en herstelde zich daarna langzaam naar een constant niveau. Deze daling en herstel boden een duidelijk elektrisch signatuur van de reis van de prop door de vernauwing. De bevindingen bevestigen dat geleidingsgradiënten aanzienlijke, transiënte secundaire stromingen in gebogen micro-poriën kunnen genereren, wat een krachtig mengmechanisme creëert dat volledig rust op de interactie tussen het elektrische veld en de eigen elektrische eigenschappen van de vloeistof. Dit suggereert dat door de vorm van microscopische kanalen zorgvuldig te ontwerpen en de elektrische eigenschappen van de vloeistoffen te controleren, het mogelijk is om uiterst efficiënte mengers voor chemische en biologische toepassingen te creëren zonder enige bewegende delen.