Fenómenos electroacústicos

Efectos eléctricos provocados por ultrasonidos

Los fenómenos electroacústicos surgen cuando el ultrasonido se propaga a través de un fluido que contiene iones . El movimiento asociado de las partículas genera señales eléctricas porque los iones tienen carga eléctrica . Este acoplamiento entre el ultrasonido y el campo eléctrico se denomina fenómeno electroacústico. El fluido puede ser un simple líquido newtoniano , una dispersión heterogénea compleja , una emulsión o incluso un cuerpo poroso. Existen varios efectos electroacústicos diferentes según la naturaleza del fluido. ^{[1] [2]}

• Corriente y potencial de vibración iónica (IVI), señal eléctrica que surge cuando una onda acústica se propaga a través de un fluido homogéneo .
• Corriente y potencial de vibración transmitida (SVI), señal eléctrica que surge cuando una onda acústica se propaga a través de un cuerpo poroso en el que los poros están llenos de líquido.
• Corriente y potencial de vibración coloidal (CVI), señal eléctrica que surge cuando el ultrasonido se propaga a través de un fluido heterogéneo , como una dispersión o emulsión.
• Amplitud sónica eléctrica (ESA), el inverso del efecto CVI, en el que surge un campo acústico cuando un campo eléctrico se propaga a través de un fluido heterogéneo.

Corriente de vibración iónica

Históricamente, el IVI fue el primer efecto electroacústico conocido. Fue predicho por Debye en 1933. ^[3]

Corriente de vibración transmitida

La corriente de vibración de flujo fue observada experimentalmente en 1948 por Williams ^[4] . Un modelo teórico fue desarrollado unos 30 años después por Dukhin y otros ^[5] . Este efecto abre otra posibilidad para caracterizar las propiedades eléctricas de las superficies en cuerpos porosos. Un efecto similar puede observarse en una superficie no porosa, cuando el sonido rebota en un ángulo oblicuo. Las ondas incidentes y reflejadas se superponen para causar un movimiento oscilatorio del fluido en el plano de la interfaz, generando así una corriente de flujo de CA a la frecuencia de las ondas sonoras ^{[6] .}

Compresión de doble capa

La doble capa eléctrica puede considerarse como un condensador de placas paralelas con un relleno dieléctrico compresible. Cuando las ondas sonoras inducen una variación de presión local, el espaciamiento de las placas varía a la frecuencia de la excitación, generando una corriente alterna de desplazamiento normal a la interfaz. Por razones prácticas, esto se observa más fácilmente en una superficie conductora. ^[7] Por lo tanto, es posible utilizar un electrodo sumergido en un electrolito conductor como micrófono, o incluso como altavoz cuando el efecto se aplica a la inversa. ^[8]

Potencial y corriente de vibración coloidal

El potencial de vibración coloidal mide la diferencia de potencial de corriente alterna que se genera entre dos electrodos idénticos relajados, colocados en la dispersión, si esta última se somete a un campo ultrasónico. Cuando una onda sonora viaja a través de una suspensión coloidal de partículas cuya densidad difiere de la del medio circundante, las fuerzas inerciales inducidas por la vibración de la suspensión dan lugar a un movimiento de las partículas cargadas con respecto al líquido, lo que provoca una fuerza electromotriz alterna. Las manifestaciones de esta fuerza electromotriz pueden medirse, dependiendo de la relación entre la impedancia de la suspensión y la del instrumento de medición, ya sea como potencial de vibración coloidal o como corriente de vibración coloidal . ^[9]

El potencial y la corriente de vibración coloidal fueron descritos por primera vez por Hermans y luego de forma independiente por Rutgers en 1938. Se utilizan ampliamente para caracterizar el potencial ζ de varias dispersiones y emulsiones. El efecto, la teoría, la verificación experimental y las múltiples aplicaciones se analizan en el libro de Dukhin y Goetz. ^[2]

Amplitud sónica eléctrica

La amplitud sónica eléctrica fue descubierta experimentalmente por Cannon y otros autores a principios de los años 1980. ^[10] También se utiliza ampliamente para caracterizar el potencial ζ en dispersiones y emulsiones. Hunter publicó una revisión de la teoría de este efecto, verificación experimental y múltiples aplicaciones. ^[11]

Teoría de CVI y ESA

Con respecto a la teoría de CVI y ESA, hubo una observación importante realizada por O'Brien, ^[12] quien vinculó estos parámetros medidos con la movilidad electroforética dinámica μ _d .

${\displaystyle \ CVI(ESA)=A\phi \mu _{d}{\frac {\rho _{p}-\rho _{m}}{\rho _{m}}}}$

dónde

A es una constante de calibración, que depende de la frecuencia, pero no de las propiedades de las partículas;

ρ _p es la densidad de partículas,

ρ _m densidad del fluido,

φ es la fracción de volumen de la fase dispersa,

La movilidad electroforética dinámica es similar a la movilidad electroforética que aparece en la teoría de la electroforesis . Son idénticas a bajas frecuencias y/o para partículas suficientemente pequeñas.

Existen varias teorías sobre la movilidad electroforética dinámica. En la referencia 5 se ofrece una descripción general de las mismas. Dos de ellas son las más importantes.

El primero corresponde al límite de Smoluchowski. Produce la siguiente expresión simple para el CVI para partículas suficientemente pequeñas con una dependencia de frecuencia del CVI despreciable:

${\displaystyle \ CVI(ESA)=A\phi {\frac {\varepsilon _{0}\varepsilon _{m}\zeta \mathrm {K} _{s}}{\eta \mathrm {K} _{m}}}{\frac {\rho _{p}-\rho _{s}}{\rho _{s}}}}$

dónde:

ε ₀ es la permitividad dieléctrica del vacío,

ε _m es la permitividad dieléctrica del fluido,

ζ es el potencial electrocinético

η es la viscosidad dinámica del fluido,

K _s es la conductividad del sistema,

K _m es la conductividad del fluido,

ρ _s es la densidad del sistema.

Esta ecuación notablemente simple tiene el mismo rango de aplicabilidad que la ecuación de Smoluchowski para la electroforesis. Es independiente de la forma de las partículas y de su concentración.

La validez de esta ecuación está restringida a los dos requisitos siguientes.

En primer lugar, es válido sólo para una capa doble delgada , cuando la longitud de Debye es mucho menor que el radio de la partícula a:

${\displaystyle {\kappa }a>>1}$

En segundo lugar, no se tiene en cuenta la contribución de la conductividad superficial , lo que supone un número de Dukhin pequeño :

${\displaystyle Du<<1}$

La restricción de la doble capa delgada limita la aplicabilidad de esta teoría de tipo Smoluchowski únicamente a sistemas acuosos con partículas suficientemente grandes y una fuerza iónica no muy baja. Esta teoría no funciona bien para nanocoloides, incluidas las proteínas y los polímeros con baja fuerza iónica. No es válida para fluidos poco polares o apolares.

Existe otra teoría que es aplicable para el otro caso extremo de una doble capa gruesa, cuando

${\displaystyle {\kappa }a<1}$

Esta teoría tiene en cuenta la superposición de doble capa que se produce inevitablemente en sistemas concentrados con una doble capa gruesa. Esto permite la introducción del denominado enfoque "cuasi-homogéneo", en el que capas difusas superpuestas de partículas cubren todo el espacio entre partículas. La teoría se simplifica mucho en este caso extremo, como demuestran Shilov y otros ^[13] . Su derivación predice que la densidad de carga superficial σ es un parámetro mejor que el potencial ζ para caracterizar los fenómenos electroacústicos en tales sistemas. A continuación se presenta una expresión simplificada para el CVI para partículas pequeñas:

${\displaystyle \ CVI=A{\frac {2{\sigma }a}{3\eta }}{\frac {\phi }{1-\phi }}{\frac {\rho _{p}-\rho _{s}}{\rho _{s}}}}$

Véase también

• Ciencia de interfases y coloides

Referencias

1. Norma internacional ISO 13099-1, 2012, "Sistemas coloidales - Métodos para la determinación del potencial zeta - Parte 1: Fenómenos electroacústicos y electrocinéticos"
2. Dukhin, AS y Goetz, PJ Caracterización de líquidos, nano y micropartículas y cuerpos porosos mediante ultrasonido , Elsevier, 2017 ISBN  978-0-444-63908-0
3. Debye, P. (1933). "Un método para la determinación de la masa de iones electrolíticos". The Journal of Chemical Physics . 1 (1): 13–16. Bibcode :1933JChPh...1...13D. doi :10.1063/1.1749213. ISSN  0021-9606.
4. Williams, Milton (1948). "Un transductor electrocinético". Revista de instrumentos científicos . 19 (10): 640–646. Bibcode :1948RScI...19..640W. doi :10.1063/1.1741068. ISSN  0034-6748. PMID  18888189.
5. Dukhin, SS, Mischuk, NA, Kuz'menko, BB y Il'in, BI "Corriente de flujo y potencial en un campo acústico de alta frecuencia" Colloid J., 45, 5, 875-881,1983
6. Glauser, AR; Robertson, PA; Lowe, CR (2001). "Un sensor electrocinético para estudiar superficies sumergidas, utilizando ultrasonidos enfocados". Sensores y actuadores B: Química . 80 (1): 68–82. Bibcode :2001SeAcB..80...68G. doi :10.1016/S0925-4005(01)00888-7. ISSN  0925-4005.
7. Kukoz, FI; Kukoz, LA (1962). "La naturaleza de los fenómenos audioelectroquímicos". Ruso. J. Física. química . 36 : 367–369.
8. Tankovsky, N. (2000). "Transductor ultrasónico capacitivo, basado en la doble capa eléctrica en electrolitos". Journal of Applied Physics . 87 (1): 538–542. Bibcode :2000JAP....87..538T. doi :10.1063/1.371896. ISSN  0021-8979.
9. Delgado, AV; González-Caballero, F.; Hunter, RJ; Koopal, LK; Lyklem, J. (2005). "Medición e interpretación de fenómenos electrocinéticos". Pure Appl. Chem . 77 (10): 1753–1805. doi : 10.1351/pac200577101753 . hdl : 10481/29099 .
10. Oja, T., Petersen, G. y Cannon, D. "Medición de propiedades eléctrico-cinéticas de una solución", Patente de EE. UU. 4.497.208,1985
11. Hunter, Robert J. (1998). "Desarrollos recientes en la caracterización electroacústica de suspensiones y emulsiones coloidales". Coloides y superficies A: aspectos fisicoquímicos y de ingeniería . 141 (1): 37–66. doi :10.1016/S0927-7757(98)00202-7. ISSN  0927-7757.
12. O'Brien, RW (2006). "Efectos electroacústicos en una suspensión diluida de partículas esféricas". Revista de mecánica de fluidos . 190 (1): 71–86. doi :10.1017/S0022112088001211. ISSN  0022-1120. S2CID  122049829.
13. Shilov, VN; Borkovskaja, YB; Dukhin, AS (2004). "Teoría electroacústica para coloides concentrados con DL superpuestos en κa arbitrario". Journal of Colloid and Interface Science . 277 (2): 347–358. Bibcode :2004JCIS..277..347S. doi :10.1016/j.jcis.2004.04.052. ISSN  0021-9797. PMID  15341846.