DOI:
Keywords:
Induced-charge electro-osmosis;Micro-particle image velocimetry;Inflow-outflow asymmetry
研究背景和研究意义
诱导电荷电渗流动（ICEO），即由外加电场和极化表面诱导电荷之间的相互作用而产生的电渗流现象，是生物工程和分析化学领域微流控装置的研究热点。ICEO的不对称性会影响微尺度器件中粒子的定向输运。与标准ICEO模型的预测结果不同，实验过程中交变电场强度增大时，圆柱周围流入-流出不对称性更加明显，影响微流控装置的效率。因此需要对交变电场的强度、频率和电解质溶液浓度对ICEO不对称性的影响规律和作用机理展开更加深入和系统的研究。
文章亮点
外加交变电场强度、频率、电解质溶液浓度对ICEO速度大小和涡间距离不对称性的影响及作用原理；
双电层内部不均匀的表面电动力输运导致了不对称性；
电场强度可增大ICEO的流入-流出的不对称性；
观察到高场强、高离子浓度条件下流出速度几乎消失的现象。
文章简介
针对ICEO流入-流出不对称性问题，作者设计了以外加交变电场强度E、频率f以及电解质溶液浓度c三个参数为变量的实验组，定量分析其对ICEO流入-流出不对称性的作用机制。在实验中，对微通道中的NaCl溶液施加交变电场以产生ICEO流动，并使用显微粒子图像测速（μPIV）技术，拍摄荧光示踪粒子的运动并计算得到ICEO速度场。实验结果表明，电场强度、频率以及电解质溶液浓度均显著影响了ICEO的流入-流出不对称特性。ICEO在流入、流出方向上的最大速度与电场强度的平方成线性正相关关系。在弱场强下，ICEO流场呈现出与标准模型基本一致的特性。然而在强电场驱动下，不同于标准ICEO模型的预测结果，ICEO在流入和流出方向上的速度大小存在差异。强电场下明显的非均匀表面电动力学输运、浓度极化和离子相位延迟效应，使得ICEO流动不再满足标准模型中Dukhin数远小于1的假设。ICEO流场中四个涡旋也不再关于圆柱对称分布，增大电场强度E后速度和涡心距离不对称性均逐渐显著。增大电解质溶液的浓度c，x和y方向的涡心间距均呈现先增大后减小的趋势，且流出方向涡心间距总是大于流入方向涡心间距，涡心间距比呈现不规律的波动。NaCl溶液浓度增大至0.001 mol·L−1时，强电场中ICEO的流出速度几乎消失。当E = 100、200 Vp-p⋅cm−1时，增大交变电场频率f，ICEO的速度不对称性先减小后增大。本研究揭示了ICEO流场不对称的特性和机理，阐释了电场和离子浓度对不对称现象的影响和作用。
图文导读
本实验台（如图1所示）通过显微镜观测交变电场作用下微通道中电解质溶液在可极化金属圆柱周围产生的ICEO流动，捕捉荧光示踪粒子的运动并经后处理计算得到ICEO速度场。
图1. 实验台示意图：(a) 实验台原理图，(b) 实验台照片
在强电场下，ICEO流场在流入、流出方向上速度大小存在差异（如图2所示），涡间距离也不相等，这与标准ICEO模型的预测结果不一致。在图2(c3)中，观察到高场强、高离子浓度条件下流出速度几乎消失的现象。
图2. 外加交变电场频率f = 200 Hz时的ICEO速度场。注：在图2(b2)中，ICEO在流入和流出方向的最大速度点分别用正方形和圆形标识。
电场强度较大时，ICEO流入、流出速度不相等，如图3所示。随场强增大，ICEO速度的流入-流出不对称性更加显著。除此之外，由于粘滞效应和离子相位延迟效应，ICEO速度大小的实验值明显小于标准模型计算所得理论值。
图3. f = 200 Hz和c = 1×10−4 mol·L−1条件下，ICEO流入（方形点）和流出（圆形点）速度沿r方向的变化。注：三条曲线为由标准ICEO模型计算所得速度大小的1/3。
高电场强度下，ICEO在涡间距离上也表现出流入-流出不对称性，如图4所示。随着E的增大，dx总体上略有减小（图4(a)），而dy则增大（图4(b)）。相应地，Λx,y减小（图4(c)），涡间距离的流入-流出不对称性变得更加明显。由图4(d)可知，dr总体上略有增加。
图4. 电场频率f = 200 Hz时(a) dx，(b) dy，(c) Λx,y和(d) dr随E的变化。注：图4(b)的插图给出了涡心距离d的定义。Λx,y = dx/dy。
作者简介
第一作者
赵玲奇（L. Zhao），西安交通大学能源与动力工程学院工学硕士，研究方向为制冷与低温工程。
通信作者
赖天伟（T. Lai），西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系教授/博导，主要研究方向为高速液氢泵、空化流动、低温结霜、箔片轴承。
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