Электрокапиллярный эффект в современной технологии
И.П.Иванов
Электрокапиллярность
- очень простое и интересное явление, которое только начинает применяться в
современной технике. В этой заметке рассказывается о некоторых устройствах на
его основе.
Течение
жидкостей в микроскопических (субмиллиметровых) системах играет важную роль как
в природе (например, в функционировании живых организмов), так и в
промышленности (вспомните хотя бы жидкокристаллические дисплеи и струйные
принтеры). Часто это течение сопровождается разнообразными электрическими
явлениями. Кроме того, современная технология, идя по пути миниатюризации, уже
сейчас сталкивается с проблемой контроля и управления микротечениями жидкости.
Причем контроль тоже желательно иметь электрический - ведь подавляющее
большинство приборов функционирует за счет электропитания. В результате
возникает интересная научно-инженерная проблема: создать прибор, в котором
управление течением жидкости осуществлялось бы электрическими методами, попутно
выяснив, как электростатические и электродинамические явления сказываются на
течении проводящих жидкостей.
Одно
из интересных решений этой проблемы базируется на явлении электрокапиллярности.
Вкратце, электрокапиллярный эффект заключается в том, что внешнее электрическое
поле изменяет поверхностное натяжение проводящей жидкости. Явление вполне
понятное: ведь поверхностное натяжение и капиллярность обязаны своему
существованию межмолекулярному (ван-дер-ваальсовому) взаимодействию, которое
имеет электрическую природу. Это явление можно считать "жидким"
аналогом пьезоэлектричества (явления, заключающегося в том, что механическая
деформация некоторых кристаллов приводит к возникновению разности потенциалов и
наоборот).
Электрокапиллярный
эффект известен уже достаточно давно. В конце 19-го века его исследовал
французский физик Габриэль Липпманн (лауреат Нобелевской премии по физике за
1908 год). Он выяснил, что на границе раздела двух проводящих жидкостей
(например, ртути и серной кислоты) возникает двойной электрический слой,
который влияет на коэффициент поверхностного натяжения границы раздела этих
жидкостей. Прикладывая дополнительную разность потенциалов, можно изменять
заряд, возникающий на границе раздела, а значит, и влиять на само поверхностное
натяжение. Если теперь обе эти жидкости поместить в капилляр, то высота
столбика более тяжелой жидкости будет зависеть от приложенной разности
потенциалов. Другими словами, мы получим готовый прибор: капиллярный вольтметр.
В
таком виде электрокапиллярный эффект используется и в наши дни. Например, на
его основе работает электрокапиллярный модулятор [1], устройство, изменяющее
количество отраженного света под действием напряжения (Рис.1). Устройство состоит
из двух связанных отсеков, в которых находится капля ртути. Прикладывая
напряжение, можно "перегонять" каплю из одного отсека в другой,
изменяя тем самым диаметр ртутного зеркальца в верхнем отсеке и, следовательно,
количество отраженного света. Предполагается, что такое устройство найдет себе
применение в оптоэлектронике.
Совсем
недавно была разработана и другая схема использования электрокапиллярности. В
работе [2] описана схема установки, в которой микротечения жидкости возникают
из-за двойного электрического слоя на границе жидкость-твердое тело (а не
жидкость-жидкость). Принципиальная схема установки показана на Рис.2. В стенках
капилляра, в котором находится электролит, вмонтированы электроды. Когда между
электродами и проводящей жидкостью создается разность потенциалов, на
электродах и на стенках капилляра возникает поверхностный заряд. Заряды
притягиваются друг к другу, что приводит к усилению взаимодействия жидкости со
стенками, то есть к эффективному усилению смачиваемости. Как следствие,
изменяется высота столбика жидкости в капилляре.
Нетрудно
понять, что изменение высоты столбика будет квадратично зависеть от
приложенного напряжения. В самом деле, дополнительная сила взаимодействия со
стенками пропорциональна квадрату наведенного заряда, а заряд в свою очередь
прямо пропорционален напряжению (зазор между жидкостью и электродом играет роль
конденсатора!). Такая квадратичная зависимость и была отмечена в эксперименте.
Для ориентировки, некоторые числа: в капилляре диаметром 0.35 мм напряжение в
100 В приводило к поднятию столбика жидкости примерно на 1 см. Важно еще и то,
что жидкость поднималась достаточно быстро, за время порядка 0.1 сек.
В
качестве примера возможного применения эффекта, ученые собрали матрицу из
нескольких капилляров (рис.3). Под действием приложенного напряжения, столбик
жидкости подскакивал в избранном капилляре. Таким образом, перед нами -
электрокапиллярный переключатель субмиллиметровых размеров. Авторы работы
приводят несколько направлений прикладной физики и химии, где похожие
устройства оказались бы крайне полезными.
Список литературы
[1] http://www.laurin.com/datacenter/dictionary/cd/de/elecmodu.htm
- электрокапиллярный модулятор.
[2] M. Prins, W. Welters, J.Weekamp,
Science, 291 (2001) 277.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nsu.ru