La electrohumectación es la modificación de las propiedades humectantes de una superficie (que típicamente es hidrófoba ) con un campo eléctrico aplicado .
La electrohumectación del mercurio y otros líquidos sobre superficies con carga variable probablemente fue explicada por primera vez por Gabriel Lippmann en 1875 [1] y ciertamente se observó mucho antes. AN Frumkin utilizó carga superficial para cambiar la forma de las gotas de agua en 1936. [2] El término electrohumectación fue introducido por primera vez en 1981 por G. Beni y S. Hackwood para describir un efecto propuesto para diseñar un nuevo tipo de dispositivo de visualización para el cual recibió una patente. [3] El uso de un "transistor de fluido" en circuitos de microfluidos para manipular fluidos químicos y biológicos fue investigado por primera vez por J. Brown en 1980 y luego financiado en 1984-1988 bajo las subvenciones NSF 8760730 y 8822197, [4] empleando dieléctrico aislante y capa(s) hidrófoba(s) (EWOD), fluidos inmiscibles, alimentación de CC o RF; y conjuntos masivos de electrodos intercalados en miniatura (dientes de sierra) con electrodos grandes o coincidentes de óxido de indio y estaño (ITO) para reubicar digitalmente nanogotas en trayectorias lineales, circulares y dirigidas, bombear o mezclar fluidos, llenar depósitos y controlar el flujo de fluido electrónicamente o ópticamente. Más tarde, en colaboración con J. Silver en los NIH, se reveló la electrohumectación basada en EWOD para que fluidos únicos e inmiscibles muevan, separen, retengan y sellen conjuntos de submuestras de PCR digitales. [5]
Bruno Berge estudió posteriormente la electrohumectación utilizando una capa aislante sobre un electrodo desnudo en 1993. [6] La electrohumectación en esta superficie recubierta de dieléctrico se llama electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD) [7] para distinguirla de la electrohumectación convencional. sobre el electrodo desnudo. La electrohumectación se puede demostrar reemplazando el electrodo metálico del sistema EWOD por un semiconductor . [8] [9] La electrohumectación también se observa cuando se aplica una polarización inversa a una gota conductora (por ejemplo, mercurio) que se ha colocado directamente sobre una superficie semiconductora (por ejemplo, silicio) para formar un contacto Schottky en una configuración de circuito eléctrico de diodo Schottky . este efecto se ha denominado "electrohumectación Schottky". [10]
La manipulación microfluídica de líquidos mediante electrohumectación se demostró primero con gotas de mercurio en agua [11] y luego con agua en aire [7] y agua en aceite. [12] La manipulación de gotas en una trayectoria bidimensional se demostró más tarde. [13] [14] Si el líquido está discretizado y manipulado de forma programable, el enfoque se denomina "Circuitos de microfluidos digitales" [15] [16] o " Microfluidos digitales ". [17] Cho, Moon y Kim demostraron por primera vez la discretización mediante electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD). [18]
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El efecto de electrohumectación se ha definido como "el cambio en el ángulo de contacto sólido- electrolito debido a una diferencia de potencial aplicada entre el sólido y el electrolito". El fenómeno de la electrohumectación puede entenderse en términos de las fuerzas que resultan del campo eléctrico aplicado. [19] [20] El campo marginal en las esquinas de la gota de electrolito tiende a tirar de la gota hacia el electrodo, reduciendo el ángulo de contacto macroscópico y aumentando el área de contacto de la gota. Alternativamente, la electrohumectación se puede ver desde una perspectiva termodinámica. Dado que la tensión superficial de una interfaz se define como la energía libre de Helmholtz necesaria para crear un área determinada de esa superficie, contiene componentes tanto químicos como eléctricos, y la carga se convierte en un término importante en esa ecuación. El componente químico es simplemente la tensión superficial natural de la interfaz sólido/electrolito sin campo eléctrico. El componente eléctrico es la energía almacenada en el condensador formado entre el conductor y el electrolito.
La derivación más simple del comportamiento de electrohumectación se obtiene considerando su modelo termodinámico. Si bien es posible obtener un modelo numérico detallado de electrohumectación considerando la forma precisa del campo eléctrico marginal y cómo afecta la curvatura local de las gotas, tales soluciones son matemática y computacionalmente complejas. La derivación termodinámica procede de la siguiente manera. Definiendo las tensiones superficiales relevantes como:
Relacionando la tensión superficial total con sus componentes químicos y eléctricos se obtiene:
El ángulo de contacto viene dado por la ecuación de Young-Dupre, con la única complicación de que se utiliza la energía superficial total:
La combinación de las dos ecuaciones da la dependencia de θ del voltaje efectivo aplicado como:
Una complicación adicional es que los líquidos también presentan un fenómeno de saturación: después de cierto voltaje, el voltaje de saturación, el aumento adicional de voltaje no cambiará el ángulo de contacto, y con voltajes extremos la interfaz solo mostrará inestabilidades.
Sin embargo, la carga superficial es sólo un componente de la energía superficial, y otros componentes ciertamente se ven perturbados por la carga inducida. Por lo tanto, no se ha cuantificado una explicación completa de la electrohumectación, pero no debería sorprender que existan estos límites.
Klarman et al. lo demostraron recientemente. [21] que la saturación del ángulo de contacto puede explicarse como un efecto universal, independientemente de los materiales utilizados, si se observa la electrohumectación como un fenómeno global afectado por la geometría detallada del sistema. En este marco se prevé que también es posible la electrohumectación inversa (el ángulo de contacto aumenta con la tensión).
Chevaloitt [22] también ha demostrado experimentalmente que la saturación del ángulo de contacto es invariante para todos los parámetros de los materiales, revelando así que cuando se utilizan buenos materiales, la mayoría de las teorías de saturación no son válidas. Este mismo artículo sugiere además que la inestabilidad electrohidrodinámica puede ser la fuente de la saturación, una teoría que no está probada pero que también ha sido sugerida por varios otros grupos.
La electrohumectación inversa [23] se puede utilizar para recolectar energía mediante un esquema de ingeniería mecánica a eléctrica.
Otra configuración de electrohumectación es la electrohumectación sobre una película con infusión de líquido. La película con infusión de líquido se logra bloqueando un lubricante líquido en una membrana porosa mediante el delicado control de las propiedades humectantes de las fases líquida y sólida. Aprovechando la insignificante fijación de la línea de contacto en la interfaz líquido-líquido, la respuesta de las gotas en EWOLF se puede abordar eléctricamente con un mayor grado de conmutabilidad y reversibilidad en comparación con el EWOD convencional. Además, la infiltración de la fase lubricante líquida en la membrana porosa también mejora eficientemente la disipación de energía viscosa, suprimiendo la oscilación de las gotas y conduciendo a una respuesta rápida sin sacrificar la reversibilidad de la electrohumectación deseada. Mientras tanto, el efecto de amortiguación asociado con el EWOLF se puede adaptar manipulando la viscosidad y el espesor del lubricante líquido. [24]
La optoelectrohumectación , [25] [26] y la fotoelectrohumectación [27] son efectos de electrohumectación inducidos ópticamente. La optoelectrohumectación implica el uso de un fotoconductor , mientras que la fotoelectrohumectación utiliza una fotocapacitancia y se puede observar si el conductor en la pila de líquido/aislante/conductor utilizado para la electrohumectación se reemplaza por un semiconductor . Modulando ópticamente el número de portadores en la región de carga espacial del semiconductor, se puede modificar de forma continua el ángulo de contacto de una gota de líquido. Este efecto puede explicarse mediante una modificación de la ecuación de Young-Lippmann.
Por razones que aún están bajo investigación, sólo un conjunto limitado de superficies exhiben el comportamiento electrohumectante teóricamente predicho. Debido a esto, se utilizan materiales alternativos que pueden usarse para recubrir y funcionalizar la superficie para crear el comportamiento de humectación esperado. Por ejemplo, los fluoropolímeros amorfos son materiales de recubrimiento electrohumectantes ampliamente utilizados y se ha descubierto que el comportamiento de estos fluoropolímeros puede mejorarse mediante el patrón superficial apropiado. Estos fluoropolímeros recubren el electrodo conductor necesario, generalmente hecho de papel de aluminio u óxido de indio y estaño (ITO), para crear las propiedades electrohumectantes deseadas. [28] Tres tipos de tales polímeros están disponibles comercialmente: los polímeros de la serie V hidrofóbicos y superhidrófobos FluoroPel son vendidos por Cytonix, CYTOP es vendido por Asahi Glass Co. y Teflon AF es vendido por DuPont . Se han utilizado otros materiales de superficie como SiO2 y oro sobre vidrio. [29] [30] Estos materiales permiten que las propias superficies actúen como electrodos de tierra para la corriente eléctrica. [30]
La electrohumectación se utiliza ahora en una amplia gama de aplicaciones, [31] desde lentes modulares hasta ajustables, pantallas electrónicas ( e-paper ), pantallas electrónicas para exteriores e interruptores para fibras ópticas. Recientemente se ha recurrido a la electrohumectación para manipular materia blanda , en particular, suprimiendo el efecto del anillo de café . [32] Además, se han sugerido filtros con funcionalidad electrohumectante para limpiar derrames de petróleo y separar mezclas de petróleo y agua. [33]
Cada dos años se celebra una reunión internacional sobre electrohumectación. La reunión más reciente se celebró del 18 al 20 de junio de 2018 en la Universidad de Twente, Países Bajos. [34]
Los anteriores anfitriones de la reunión de electrohumectación son: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Ángeles (2008), Pohang (2010), Atenas (2012), Cincinnati (2014), Taipéi (2016).
