压力驱动电解质液体流过不对称充电非均匀微流体装置时的电粘性效应

摘要

微观尺度系统描绘了与宏观尺度系统不同的流动行为，这是由于更重要的表面力，如表面张力、电荷、磁场等，这些力显着影响微观尺度的流动。此外，除其他外，电动现象在微观尺度上对控制实际微流体应用起着重要作用。因此，了解微米级通道中的流体动力学对于开发高效可靠的微流控器件至关重要。

方法

已经对压力驱动电解质液体流过不对称带电收缩-膨胀 (4:1:4) 狭缝微流体装置时的电粘性效应进行了数值研究。使用有限元方法求解数学模型（即泊松方程、纳维-斯托克斯方程和能斯特-普朗克方程），以获得以下方程的电势、速度、压力、离子浓度场、过剩电荷、感应电场强度参数范围：雷诺数（右e=0.01), 施密特数 (钪=1000), 逆德拜长度 (2≤k≤20），顶壁表面电荷密度（4≤st≤16)、表面电荷密度比(0≤sr≤2）和收缩率（dc=0.25）。

重要发现

结果表明电荷不对称性（Sr）在微流体装置的不同壁上对感应电场的发展和微流体流体动力学起着重要作用。总潜力（|ΔU|）和压降（|Δ磷|）随着电荷的不对称性，最大分别增加了 197.45% 和 25.46%。电粘性修正系数（表观粘度与物理粘度之比）最大变化 20.85%（在K=2,St=16为了0≤Sr≤2），34.16%（在St=16,Sr=2为了2≤K≤20）和 39.13%（在K=2,Sr=2为了0≤St≤16）。因此，电荷不对称性（0≤Sr≤2）显着影响微流体装置中的流体流动，微流体装置用于控制微流体过程，例如混合效率、热量和质量传递速率。此外，开发了一个更简单的分析模型来预测电粘流中的压降，考虑到不对称带电表面，基于各个均匀部分中的泊肃叶流和孔口造成的压力损失，估计数值结果内的压降 1-2% 。该模型的稳健性使得能够将当前的数值结果用于微流体应用的设计方面。

微机电系统制造技术的快速发展增强了微流控器件在各种生物医学和工程应用中的使用和普及，例如微热泵、微散热器、DNA 分析、药物筛选、药物输送系统、芯片实验室、生物分析、细胞培养和液滴生成、微观尺度系统描绘了与宏观尺度系统不同的流动行为，这是由于更重要的表面力，如表面张力、电荷、磁场等，这些力显着影响微观尺度的流动。因此，了解微米级通道中的流体动力学对于开发高效可靠的微流控器件至关重要。

大多数固体表面（PDMS、玻璃、其他材料）都含有静电荷，即表面电势.当这些带电表面与液体电解质溶液相互作用时，就会产生电动现象。带电的固体表面吸引反离子并消除辅离子;因此，离子在表面附近的重排形成“双电层”（EDL）。它由致密层（或斯特恩层）和漫反射层组成;位于 EDL 这些层之间的界面被定义为“剪切平面”。Zeta电位（ζ）是剪切（或滑移）平面上的电位），它在从剪切面到本体液体的扩散层中不断衰减。由于施加的压力驱动流 （PDF），EDL 扩散层中移动离子的对流导致“流电流”。这种流动会诱导出一种“流动电位”，该电位在EDL中施加了与PDF相反的反离子回流，并产生了“传导电流”。这些离子还用它们驱动液体，并延缓微流体装置中的初级PDF。因此，在固定的体积流量下，液体流动显示出比传统PDF更高的粘度;这种效应被称为“电粘性效应”（EVE）。

早期的实验和数值研究已经探索了平行板、矩形、圆柱形和椭圆形等对称/均匀电荷均匀微流控器件中的电粘性效应。研究人员还探索了离子/电解质液体在压力驱动的无滑移流中通过对称电荷的不均匀（即收缩-膨胀）微流体装置（如平行板/狭缝、矩形和圆柱形）的电粘性效应。Berry 等人。 分析了在其他相同条件下，具有均匀电荷密度的壁介电常数对电粘性流动中液固界面的影响。此外，Dhakar 和 Bharti 还研究了电解质溶液通过对称电荷不均匀（即收缩-膨胀）狭缝微通道装置的电荷依赖性滑移流中的电粘性效应。总而言之，这些研究表明，逆德拜长度（2≤K≤20）、表面电荷密度（4≤S≤16） 和滑移长度 （0≤B0≤0.20） 表示控制场上的固定体积流量 （Q），即总电势 （U）、速度 （V）、离子浓度 （n±）、压力 （P）、过量电荷 （n⁎）和感应电场强度（Ex） 在对称电荷 （Sr=1）微流控装置。这些研究观察到，在其他条件范围相同的情况下，与均匀几何形状相比，非均匀几何形状具有显著的电粘性效应。此外，与无滑移情况相比，滑移增强了电粘性效应，而与微流体几何形状无关。通过考虑通过均匀通道的泊塞耶流和通过薄孔口的蠕动流的压降，提出了计算通过对称电荷非均匀微流控装置的无滑移和电荷依赖滑移流压降的简单预测模型。该模型预测的压降（和电粘性校正因子）在± 5% 以内，±其数值结果的±2 – 4% 的无滑移和电荷依赖性滑移流。

此外，很少有研究探讨不对称或异质电荷均匀微流控器件中的电粘性效应（EVEs）。例如，Xuan 从理论上研究了具有两种表面模式（||即ΔP和q±ΔP；;∇P为压力梯度）。Sailaja 等人。 已显示出不对称壁 zeta 电位（即由不同材料制成的通道壁）对通过均匀狭缝微通道的幂律流体流动的流体动力学的显着影响。他们得出的结论是，zeta电位的不对称性强烈影响了微流体器件中的流动电位。

据我们所知，上壁和下壁之间的电荷不对称性对通过非均匀微流体几何的电粘性流动的影响在文献中尚未探索。因此，本研究研究了电解质液体通过不对称电荷不均匀（即收缩-膨胀）狭缝微流控装置的流动。采用有限元法（FEM）对数学方程进行数值求解，得到流动场、电势场和离子集中场。详细结果从总电势（U）、过量电荷（n⁎）、感应电场强度（Ex）和微流体装置中的压力（P）分布，适用于更宽范围的流动控制参数.提出了一个简单的伪分析模型来预测压降（和电粘性校正因子）。该模型可用于为各种工程和生物医学应用设计高效可靠的微流控设备/芯片。

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