Роль транспорту поверхневого заряду в електрогідродинаміці та електромеханіці діелектричної кулі
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe65.6.521Ключові слова:
dielectrophoresis, electrohydrodynamics, leaky-dielectric modelАнотація
Для моделювання електрокiнетичних процесiв у слабопровiдних дiелектричних середовищах широко використовують модель неiдеального дiелектрика Тейлора–Мелчера, хоча умови ї ї застосування невiдомi. Для визначення цих умов знайдено розподiл електричного потенцiалу всерединi i зовнi дiелектричної кулi в електричному полi у припущеннi, що куля i зовнiшнє середовище є поганими провiдниками струму, а також iз врахуванням електричних i дифузiйних поверхневих струмiв та розпаду поверхневого заряду. Ранiше будь-яка характеристика електричного поля дiелектричної кулi, зокрема, реальна частина фактора Клаузiуса–Моссоттi, знайдена для поля сталого струму, як правило, вважалася однозначною функцiєю двох параметрiв, а саме, провiдностей кулi та зовнiшнього середовища. У нас ця величина залежить вiд бiльшої кiлькостi параметрiв i, у випадку сталого струму, може змiнюватися вiд значення, визначеного для iдеального-дiелектрика, до значення iдеально провiдника, навiть для частинки гарного iзолятора. Використовуючи пропоновану теорiю, рiзноманiтнi експериментальнi результати щодо електрогiдродинамiчної (ЕГД) циркуляцiї рiдини та дiелектрофорезу (ДЕФ) мiкрочастинок у дiелектричних краплях ми пояснюємо вперше або по-новому. Частоти iнверсiї та перегину дiелектрофорезу визначено з урахуванням затухання поверхневого заряду. Вперше передбачено залежнiсть ефективної провiдностi кулi вiд кутового розподiлу поля.
Посилання
N.G. Green, H. Morgan. Separation of submicrometre particles using a combination of dielectrophoretic and electrohydrodynamic forces. J. Phys. D 31, L25 (1998). https://doi.org/10.1088/0022-3727/31/7/002
T.B. Jones. Electromechanics of Particles (Cambridge Univ. Press, 1995) [ISBN: 9780521019101]. https://doi.org/10.1017/CBO9780511574498
A.V. Delgado. Interfacial Electrokinetics and Electrophoresis (Dekker, 2001) [ISBN: 0-8247-0603-X]. https://doi.org/10.1201/9781482294668
M.P. Hughes. Nanoelectromechanics in Engineering and Biology (CRC Press, 2003) [ISBN: 0-8493-1183-7].
H.-C. Chang, L. Yeo. Electrokinetically driven Microfluidics and Nanofluidics (Cambridge Univ. Press, 2010) [ISBN: 9780521860253].
A. Ramos. Electrokinetics and Electrohydrodynamics in Microsystems (Springer, 2011) [ISBN: 978-3-7091- 0899-4]. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-0900-7
B. Cetin, D. Li. Dielectrophoresis in microfluidics technology. Electrophoresis 32, 2410 (2011). https://doi.org/10.1002/elps.201100167
T.Z. Jubery, S.K. Srivastava, P. Dutta. Dielectrophoretic separation of bioparticles in microdevices: A review. Electrophoresis 35, 691 (2014). https://doi.org/10.1002/elps.201300424
R.R. Pethig. Dielectrophoresis: Theory, Methodology and Biological Applications (Wiley, 2017) [ISBN: 9781118671450]. https://doi.org/10.1002/9781118671443
Q. Chen, Y.J. Yuan. A review of polystyrene bead manipulation by dielectrophoresis. RSC Adv. 9, 4963 (2019). https://doi.org/10.1039/C8RA09017C
S. Nudurupati, M. Janjua, N. Aubry, P. Singh. Concentrating particles on drop surfaces using external electric fields. Electrophoresis 29, 1164 (2008), https://doi.org/10.1002/elps.200700676
S. Nudurupati, M. Janjua, P. Singh, N. Aubry. Effect of parameters on redistribution and removal of particles from drop surfaces. Soft Mat. 6, 1157 (2010). https://doi.org/10.1039/b912723b
P.F. Salipante, P.M. Vlahovska. Electrohydrodynamics of drops in strong uniform dc electric fields. Phys. Fluids 22, 112110 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3507919
P. Dommersnes, Z. Rozynek, A. Mikkelsen, R. Castberg, K. Kjerstad, K. Hersvik, J.O. Fossum. Active structuring of colloidal armour on liquid drops. Nat. Comm. 4, 2066 (2013). https://doi.org/10.1038/ncomms3066
Z. Rozynek, P. Dommersnes, A. Mikkelsen, L. Michels, J. Fossum. Electrohydrodynamic controlled assembly and fracturing of thin colloidal particle films confined at drop interfaces, Eur. Phys. J. Spec. Top. 223, 1859 (2014). https://doi.org/10.1140/epjst/e2014-02231-x
H. Yan, L. He, X. Luo, J.Wang, X. Huang, Y. L¨u, D. Yang. Investigation on transient oscillation of droplet deformation before conical breakup under alternating current electric field. Langmuir 31, 8275 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01642
R. Vaidyanathan, S. Dey, L.G. Carrascosa, M.J.A. Shiddiky, M. Trau. Alternating current electrohydrodynamics in microsystems: Pushing biomolecules and cells around on surfaces. Biomicrofluidics 9, 061501 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4936300
E. Amah, K. Shah, I. Fischer, P. Singh. Electro- hydrodynamic manipulation of particles adsorbed on the surface of a drop. Soft Mat. 12, 1663 (2016). https://doi.org/10.1039/C5SM02195B
Q. Brosseau, P. M. Vlahovska. Streaming from the equator of a drop in an external electric field. Phys. Rev. Lett. 119, 034501 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.034501
A. Mikkelsen, K. Khobaib, F.K. Eriksen, K.J. Maloy, Z. Rozynek. Particle-covered drops in electric fields: drop deformation and surface particle organization. Soft Mat. 14, 5442 (2018). https://doi.org/10.1039/C8SM00915E
P.M. Vlahovska. Electrohydrodynamics of drops and vesicles. Ann. Rev. Fluid Mech. 51, 305 (2019). https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-122316-050120
L. Novotny, B. Hecht. Principles of nano-optics (Cambridge Univ. Press, 2006) [ISBN: 978-0-511-16811-6]. https://doi.org/10.1017/CBO9780511813535
G. Taylor. Studies in electrohydrodynamics. I. The circulation produced in a drop by electrical field. Proc. Roy. Soc. Lond. A 291, 159 (1966). https://doi.org/10.1098/rspa.1966.0086
J.R. Melcher, G.I. Taylor. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Ann. Rev. Fluid Mech. 1, 111 (1969). https://doi.org/10.1146/annurev.fl.01.010169.000551
D.A. Saville. Electrohydrodynamics: The Taylor- Melcher leaky dielectric model. Ann. Rev. Fluid Mech. 29, 27 (1997). https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.29.1.27
S. Torza, R.G. Cox, S.G. Mason. Electrohydrodynamic deformation and burst of liquid drops. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 269, 295 (1971). https://doi.org/10.1098/rsta.1971.0032
R. Pethig. Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications. Biomicrofluidics 4, 022811 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3456626
B.A. Kemp, C.J. Sheppard. Field and material stresses predict observable surface forces in optical and electrostatic manipulation. Proc. SPIE 9922, 9922 (2016). https://doi.org/10.1117/12.2237820
W. Arnold, H. Schwan, U. Zimmermann. Surface conductance and other properties of latex particles measured by electrorotation J. Phys. Chem. 91, 5093 (1987). https://doi.org/10.1021/j100303a043
L. Gorre-Talini, S. Jeanjean, P. Silberzan. Sorting of brownian particles by the pulsed application of an asymmetric potential. Phys. Rev. E 56, 2025 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.56.2025
M.P. Hughes, H. Morgan, M.F. Flynn. The dielectrophoretic behavior of submicron latex spheres: Influence of surface conductance. J. Coll. Int. Sci. 220, 454 (1999). https://doi.org/10.1006/jcis.1999.6542
M. Jim'enez, F. Arroyo, F. Carrique, U. Kaatze, A. Delgado. Determination of stagnant layer conductivity in polystyrene suspensions: temperature effects. J. Coll. Int. Sci. 281, 503 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.08.093
A. Delgado, F. Gonz'alez-Caballero, R. Hunter, L. Koopal, J. Lyklema. Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena. J. Coll. Int. Sci. 309, 194 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.075
S. Basuray, H.-C. Chang. Induced dipoles and dielectrophoresis of nanocolloids in electrolytes. Phys. Rev. E 75, 060501 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.75.060501
M.D. Vahey, J. Voldman. High-throughput cell and particle characterization using isodielectric separation. Anal. Chem. 81, 2446 (2009). https://doi.org/10.1021/ac8019575
S. Basuray, H.-C. Chang. Designing a sensitive and quantifiable nanocolloid assay with dielectrophoretic crossover frequencies. Biomicrofluidics 4, 013205 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3294575
T. Honegger, K. Berton, E. Picard, D. Peyrade. Determination of Clausius-Mossotti factors and surface capacitances for colloidal particles. Appl. Phys. Lett. 98, 181906 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3583441
P.-Y. Weng, I.-A. Chen, C.-K. Yeh, P.-Y. Chen, J.-Y. Juang. Size-dependent dielectrophoretic crossover frequency of spherical particles. Biomicrofluidics 10, 011909 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4941853
H.P. Schwan. Electrical properties of tissue and cell suspensions. Adv. Biol. Med. Phys. 5, 147 (1957). https://doi.org/10.1016/B978-1-4832-3111-2.50008-0
C.T. O'Konski. Electric properties of macromolecules. V. Theory of ionic polarization in polyelectrolytes. J. Phys. Chem. 64, 605 (1960). https://doi.org/10.1021/j100834a023
G. Schwarz. A theory of the low-frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution. J. Phys. Chem. 66, 2636 (1962). https://doi.org/10.1021/j100818a067
S. Tsukahara, T. Sakamoto, H. Watarai. Positive dielectrophoretic mobilities of single microparticles enhanced by the dynamic diffusion cloud of ions. Langmuir 16, 3866 (2000). https://doi.org/10.1021/la980441k
I. Ermolina, H. Morgan. The electrokinetic properties of latex particles: Comparison of electrophoresis and dielectrophoresis. J. Coll. Int. Sci. 285, 419 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.11.003
M.-T.Wei, J. Junio, aH. D. Ou-Yang. Direct measurements of the frequency-dependent dielectrophoresis force. Biomicrofluidics 3, 012003 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3058569
S. Basuray, H.-H. Wei, H.-C. Chang. Dynamic double layer effects on ac-induced dipoles of dielectric nanocolloids. Biomicrofluidics 4, 022801 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3455720
C.-K. Yeh, J.-Y. Juang,.Dimensional analysis and prediction of dielectrophoretic crossover frequency of spherical particles. AIP Adv. 7, 065304 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4985666
K.K. Rangharajan, S. Prakash. Surface-modified microfluidics and nanofluidics. In: Encyclopedia of Nanotechnology (Springer Netherlands, 2014). https://doi.org/10.1007/978-94-007-6178-0_395-2
N.G. Green, H. Morgan. Dielectrophoresis of submicrometer latex spheres. 1. Experimental results. J. Phys. Chem. B 103, 41 (1999). https://doi.org/10.1021/jp9829849
L.A. Rosen, D.A. Saville. Dielectric spectroscopy of colloidal dispersions: Comparisons between experiment and theory. Langmuir 7, 36 (1991). https://doi.org/10.1021/la00049a009
S.S. Dukhin, V.N. Shilov. Dielectric Phenomena and Double Layer in Disperse Systems and Polyelectrolytes (Naukova Dumka, 1972) (in Russian).
A. Korzhenko, M. Tabellout, J. Emery. Dielectric relaxation properties of the polymer coating during its exposition to water. Mat. Chem. Phys. 65, 253 (2000). https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00214-5
J. Lyklema, A. de Keizer, B.H. Bijsterbosch, G.J. Fleer, M.A. Cohen Stuart. Fundamentals of Interface and Colloid Science. Volume 2: Solid-Liquid Interfaces (Academic Press, 1995) [ISBN: 0-12-460521-9]. https://doi.org/10.1016/S1874-5679(06)80002-4
J. Lyklema, M. Minor. On surface conduction and its role in electrokinetics. Coll. Surf. A 140, 33 (1998). https://doi.org/10.1016/S0927-7757(97)00266-5
A.I. Zhakin. Electrohydrodynamics of charged surfaces. Phys.-Uspekhi 56, 141 (2013). https://doi.org/10.3367/UFNe.0183.201302c.0153
R. Fuchs, F. Claro. Multipolar response of small metallic spheres: Nonlocal theory. Phys. Rev. B 35, 3722 (1987). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.35.3722
E. Bichoutskaia, A.L. Boatwright, A. Khachatourian, A.J. Stace. Electrostatic analysis of the interactions between charged particles of dielectric materials. J. Chem. Phys. 133, 024105 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3457157
V.V. Datsyuk, O.R. Pavlyniuk. Properties of longitudinal electromagnetic oscillations in metals and their excitation at planar and spherical surfaces. Nanoscale Res. Lett. 12, 473 (2017). https://doi.org/10.1186/s11671-017-2230-6
V.V. Datsyuk, O.M. Tovkach. Optical properties of a metal nanosphere with spatially dispersive permittivity. J. Opt. Soc. Am. B 28, 1224 (2011). https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.001224
E.B. Lindgren, H.-K. Chan, A. J. Stace, E. Besley. Progress in the theory of electrostatic interactions between charged particles. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 5883 (2016). https://doi.org/10.1039/C5CP07709E
H. Watarai, T. Sakamoto, S. Tsukahara. In Situ measurement of dielectrophoretic mobility of single polystyrene microparticles. Langmuir 13, 2417 (1997). https://doi.org/10.1021/la961057v
T. Tsukada, T. Katayama, Y. Ito, M. Hozawa. Theoretical and experimental studies of circulations inside and outside a deformed drop under a uniform electric field. J. Chem. Eng. Japan 26, 698 (1993). https://doi.org/10.1252/jcej.26.698
V.V. Datsyuk, O.R. Pavlyniuk. The role of surface conductivity in electro-mechanics of microparticles in a meakly-conducting dielectric drop, in 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (EL-NANO, 2019). https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783832
G. Supeene, C.R. Koch, S. Bhattacharjee. Deformation of a droplet in an electric field: Nonlinear transient response in perfect and leaky dielectric media. J. Coll. Int. Sci. 318, 463 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.10.022
Y.-W. Liu, S. Pennathur, C.D. Meinhart. Electrophoretic mobility of a spherical nanoparticle in a nanochannel. Phys. Fluids 26, 112002 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4901330
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
