thumb|Elektroozmotikus áramlásA pozítivan töltött fal mellé a folyadékból kihúzódó anionok negatív töltésű tartományt hiznak létre, ami a külső elektromos tér hatására elmozdul. A középső, semleges töltésű tartományra (melyben ugyannyi kation van, mint anion) nem hat az elektromos tér. Az elektroozmotikus áramlás (elektroozmózis, elektroendozmózis) olyan, az elektroforetikus módszereknél általában fellépő alapvető jelenség, amellyel akkor találkozhatunk, ha a folyadék, a rákapcsolt elektromos tér hatására egy elektromos töltéssel bíró felület (kapilláris elektroforézis-nél a kvarckapilláris fala) mentén áramlik. Nagysága és iránya függ a felület töltésétől és a kapillárisban levő oldat jellegétől. Ha a cső falán kialakuló elektromos kettősréteg sokkal vékonyabb, mint a csőhossz, a kialakuló áramlásban az elektroozmózis hatása gyakorlatilag elhanyagolható. Amikor a cső keresztmetszete már összemérhető az elektromos kettősréteg vastagságával az elektroozmózis játszik vezető szerepet az csőben kialakuló áramlásban. Kapillárisokban (mintegy 200 µm átmérőig) az elektroozmotikus áramlás dugószerű áramlási profilt biztosít. Az EOF nagysága és iránya függ a kapillárisban levő oldat jellegétől (pH, ionerősség).

Története Az elektroozmózissal hajtott áramlást először Ferdinand Friedrich Reuss (1778-1852) említette meg 1807-ben, a Moszkvai Orvosfizikai Társaság számára tartott előadásán. Reuss először 1809-ben tette közzé elektroozmotikus áramlás leírását a Moszkvai Természettudósok Császári Társaságának Emlékiratai című művében. Bemutatta, hogy elektromos feszültség alkalmazásával víz átáramoltatható egy agyagdugón keresztül. Az agyag szorosan elhelyezkedő szilícium-dioxid- és más ásványianyag-részecskékből áll, a víz ezen részecskék közötti szűk réseken át áramlik, ugyanúgy, mint egy keskeny üvegkapillárison. Egy elektrolit (oldott ionokat tartalmazó folyadék) és egy szigetelő szilárd anyag bármilyen kombinációja elektroozmotikus áramlást hoz létre, víz/szilícium-dioxid esetében ez a hatás különösen nagy. Igaz, hogy még az így kialakított áramlási sebesség is jellemzően csak néhány milliméter másodpercenként. Tőle függetlenül, egy angol kémikus Robert Porrett Jr. (1783–1868) is felfedezte a jelenséget 1814-ben.

Alapvető okai Az elektroozmotikus áramlást az oldatbeli nettó mozgó elektromos töltésekre ható elektromos tér (Coulomb-erő) okozza. Mivel a szilárd felület és az elektrolitoldat közötti kémiai egyensúly jellemzően ahhoz vezet, hogy a határfelület elektromosan töltötté válik, a határfelület közelében egy mozgó ionokból álló réteg, az úgynevezett elektromos kettős réteg (Debye-réteg) alakul ki. Amikor elektromos teret kapcsolunk a folyadékra (általában a bemeneteknél és kimeneteknél elhelyezett elektródákon keresztül), a keletkező Coulomb-erő mozgásba hozza az elektromos kettős réteg nettó töltését, melyek magukkal sodorják a folyadék töltés nélküli részeit is, melyekre nem hat az elektromos tér. Az így keletkező áramlást elektroozmotikus áramlásnak nevezzük.

Elméleti tárgyalása A feszültség rákapcsolásából származó áramlás egy dugóáramlás. A nyomáskülönbség által generált, parabolaprofilú áramlással ellentétben a dugóáramlás sebességprofilja közel sík, az elektromos kettős réteg közelében kismértékű eltéréssel. Ez a pumpálás lényegesen kevesebb káros, diszperzív hatást eredményez (a szélen haladó részek nem maradnak le a középső részek mögött) és szelepek nélkül szabályozható. Kiválóan alkalmas módszer lehet folyadékszétválasztásra, bár számos összetett tényező befolyásolja a gyakorlati megvalósítást. Az egyik az, hogy mikrofluidikai csatornákban az áramlás mérése és monitorozása nehezen megoldható, mert a beiktatott érzékelő óhatatlanul megzavarja az áramlási mintát. Ezért az elemzések nagy részét numerikus módszerekkel és szimulációval végzik.

A mikrocsatornákban létrejövő elektroozmotikus áramlás a Navier-Stokes-egyenlettel modellezhető. Az áramlást hajtó erő az elektromos térből és a nyomáskülönbségből származik, a folytonossági egyenlet érvényes rá:

és a lendületmegmaradás:

Ahol a sebességvektor, a folyadék sűrűsége, az un. anyagi derivált (egy anyagdarab -például folyadékelem- fizikai mennyiségének -például lendület- időbeli változása, melyet a rá ható tér- és időfüggetlen, makroszkopikus erő okoz), a folyadék dinamikus viszkozitása, az elektromos töltéssűrűség, a rákapcsolt elektromos tér, a Zéta-potenciál miatt kialakuló elektromos tér a falon, pedig a folyadékbeli nyomás.

A Laplace-egyenlet megadja a külső elektromos teret:

az elektromos kettősrétegben az elektromos potenciál:

ahol az elektrolit dielektromos állandója, pedig a vákuum permittiviás. Ez az egyenlet egyszerűsíthető a Debye-Hückel közelítéssel:

ahol where 1 / k az úgynevezett Debye-hossz, ami az elektromos kettősréteg vastagságát adja meg. Az előbbi két egyenlet segítségével megadható a kettősrétegbeli elektromos potenciál:

Az ionok térbeli transzportja a Nernst–Planck egyenlet segítségével számítható:

Ahol az ionkoncentráció, a mágneses vektorpotenciál, a kémiai anyag diffúziós állandója, az ion valenciája (hányszoros a töltése), az elemi töltés, a Boltzmann-állandó és az abszolút hőmérséklet.

Electro-osmotic flow is usually implemented by placing electrodes at the inlets and outlets where flow is desired, and applying an electric field. However, Electro-osmotic flow can also be induced by a chemical reaction, which generates charged particles. Such reactions can be created when a fuel like H2O2 interacts with materials coated on electrodes. Alternatively, photocatalysis can create reactions on select materials, avoiding the need for a fuel. In plants (phloem), charge disparities are achieved by cells withdrawing and secreting ions (K+) via the Sodium–potassium pump.

Gyakorlati megvalósítása Az elektroozmotikus áramlást általában úgy hozzák létre, hogy elektródákat helyeznek a folyadékot tartalmazó rendszer be- és kimeneteire (ahol az áramlást szeretnének), majd ezekre elektromos feszültséget kapcsolnak. Az elektroozmotikus áramlás olyan kémiai reakció segítségével is elindítható, amelyben töltött részecskék keletkeznek. Ilyen reakciók létrejöhetnek például akkor, ha egy üzemanyag (például a H₂O₂), kölcsönhatásba lép az elektródák felületére felvitt anyagokkal. Másik kémiai út a töltött részecskék létrehozására, bizonyos anyagok fotokatalitikus reakciója is keletkeznekj szabad töltött részecskék (ionok), üzemanyag nélkül. A növények háncsszövetében (latinul floem) a töltésegyenlőtlenség úgy jön létre, hogy a sejtek ionokat (K+) vonnak el és választanak ki máshol a nátrium-kálium pumpa segítségével.

Alkalmazások Az elektroozmotikus áramlást gyakran alkalmazzák mikrofluidikai eszközökben, talajelemzésben és -feldolgozásban, valamint kémiai elemzésben, amelyek mindegyike rutinszerűen olyan folyadék/szilárd anyagokból, (gyakran oxidokból) álló rendszereket foglal magában, amelyek nagy töltésű felületekkel rendelkeznek. Egy példa erre a kapilláris elektroforézis, amelyben elektromos teret használnak a vegyi anyagok elektroforetikus mozgékonyságuk szerinti elválasztására egy keskeny, általában szilícium-dioxidból készült kapillárisban a ráadott elektromos tér segítségével. Az elektroozmotikus áramlást egy FlowFET-ben működtetik, melyben elektronikusan szabályozható a folyadék átáramlása egy csomóponton keresztül. A várakozások szerint az elektroozmotikus áramlást alkalmazó mikrofluidikus eszközök jól alkalmazhatók lesznek a orvosi kutatásokban. Azelektroozmózis alkalmazható pórusok önpumpálására is, amelyeket elektromos mezők helyett kémiai reakciók működtetnek. Ezt a H₂O₂-t használó megközelítést a Nernst-Planck-Stokes-egyenletekkel demonstrálták és modellezték.

Tüzelőanyag ceIlákban az elektroozmózis a protonokat hajt át a protoncserélő membránon (angolul: proton exchange membrane, PEM) hogy vízmolekulákat vigyenek át a membrán egyik oldaláról a másikra.

Növények háncsszöveteiben (egyes elméletek szerint) az ionos folyadékok áramoltatását segíti a az úgynevezett "citoplazmikus áramlás". A háncsban a kísérősejtek ciklikusan kivonják a káliumionokat (K+) a mellettük futó rostacsövekből és átjuttatják őket a rostalemezekbe. Ezzel elektromosan polarizálják a rendszert, ez az elektromos tér pedig elektroozmotikus áramlással a vízmolekulákat és egyéb polarizálható anyagokat felemelik a háncson keresztül.

Fordítás

Jegyzetek

Kategória:Kontinuummechanika Kategória:Elektrokémia