La electrohidrodinámica ( EHD ), también conocida como electrodinámica de fluidos ( EFD ) o electrocinética , es el estudio de la dinámica de fluidos cargados eléctricamente . [1] Es el estudio de los movimientos de partículas o moléculas ionizadas y sus interacciones con los campos eléctricos y el fluido circundante. El término puede considerarse sinónimo de la hidrodinámica electroestrictiva bastante elaborada . ESHD cubre los siguientes tipos de mecanismos de transporte de partículas y fluidos: electroforesis , electrocinesis , dielectroforesis , electroósmosis y electrorotación . En general, los fenómenos se refieren a la conversión directa de energía eléctrica en energía cinética , y viceversa .
En primer lugar, los campos electrostáticos conformados (ESF) crean presión hidrostática (HSP o movimiento) en medios dieléctricos . Cuando dichos medios son fluidos , se produce un flujo . Si el dieléctrico es vacío o sólido , no se produce flujo. Dicho flujo puede dirigirse contra los electrodos , generalmente para mover los electrodos. En tal caso, la estructura móvil actúa como un motor eléctrico . Los campos de interés prácticos de EHD son el ionizador de aire común , los propulsores electrohidrodinámicos y los sistemas de refrigeración EHD.
En el segundo caso ocurre lo contrario. Un flujo motorizado de medio dentro de un campo electrostático moldeado agrega energía al sistema que los electrodos captan como una diferencia de potencial . En tal caso, la estructura actúa como un generador eléctrico .
La electrocinesis es el transporte de partículas o fluidos producido por un campo eléctrico que actúa sobre un fluido que tiene carga móvil neta. (Ver -kinesis para una explicación y usos adicionales del sufijo -kinesis.) La electroquinesis fue observada por primera vez por Ferdinand Frederic Reuss durante 1808, en la electroforesis de partículas de arcilla [2] El efecto también fue notado y publicitado en la década de 1920 por Thomas Townsend Brown al que llamó efecto Biefeld-Brown , aunque parece haberlo identificado erróneamente como un campo eléctrico que actúa sobre la gravedad. [3] El caudal en un mecanismo de este tipo es lineal en el campo eléctrico . La electroquinesis tiene una importancia práctica considerable en microfluidos , [4] [5] [6] porque ofrece una forma de manipular y transportar fluidos en microsistemas utilizando únicamente campos eléctricos, sin partes móviles.
La fuerza que actúa sobre el fluido está dada por la ecuación
Si los electrodos pueden moverse libremente dentro del fluido, manteniendo su distancia fija entre sí, entonces dicha fuerza en realidad impulsará los electrodos con respecto al fluido.
La electroquinesis también se ha observado en biología, donde se descubrió que causa daño físico a las neuronas al incitar el movimiento en sus membranas. [7] [8] Se analiza en "Carga fija en la membrana celular" de RJ Elul (1967).
En octubre de 2003, el Dr. Daniel Kwok, el Dr. Larry Kostiuk y dos estudiantes de posgrado de la Universidad de Alberta discutieron un método de conversión de energía hidrodinámica en eléctrica mediante la explotación de las propiedades electrocinéticas naturales de un líquido como el agua corriente del grifo , bombeando fluidos a través de pequeños microcanales con una diferencia de presión. [9] Esta tecnología podría algún día proporcionar un dispositivo de almacenamiento de energía práctico y limpio, que reemplace las baterías actuales, para dispositivos como teléfonos móviles o calculadoras que se cargarían simplemente bombeando agua a alta presión . Luego, la presión se liberaría según la demanda, para que el flujo de fluido tuviera lugar a través de los microcanales. Cuando el agua viaja o fluye sobre una superficie, los iones que la componen "frotan" contra el sólido, dejando la superficie ligeramente cargada. De este modo, la energía cinética de los iones en movimiento se convertiría en energía eléctrica. Aunque la potencia generada por un solo canal es extremadamente pequeña, se pueden utilizar millones de microcanales paralelos para aumentar la potencia de salida. Este fenómeno de flujo de agua potencial , fue descubierto en 1859 por el físico alemán Georg Hermann Quincke . [ cita necesaria ] [5] [6] [10]
Los flujos de fluidos en dispositivos de microfluidos y nanofluidos suelen ser estables y fuertemente amortiguados por fuerzas viscosas (con números de Reynolds de orden unitario o menores). Sin embargo, los campos de conductividad iónica heterogéneos en presencia de campos eléctricos aplicados pueden, bajo ciertas condiciones, generar un campo de flujo inestable debido a inestabilidades electrocinéticas (EKI) . Los gradientes de conductividad prevalecen en procesos electrocinéticos en chips, como métodos de preconcentración (por ejemplo, apilamiento de muestras amplificadas en campo y enfoque isoeléctrico ), ensayos multidimensionales y sistemas con una química de muestra mal especificada. La dinámica y la morfología periódica de las inestabilidades electrocinéticas son similares a las de otros sistemas con inestabilidades de Rayleigh-Taylor . El caso particular de una geometría plana con inyección de iones homogéneos en la parte inferior conduce a un marco matemático idéntico a la convección de Rayleigh-Bénard .
Los EKI se pueden aprovechar para una mezcla rápida o pueden provocar una dispersión indeseable en la inyección, separación y apilamiento de muestras. Estas inestabilidades son causadas por un acoplamiento de campos eléctricos y gradientes de conductividad iónica que da como resultado una fuerza eléctrica en el cuerpo. Este acoplamiento da como resultado una fuerza del cuerpo eléctrico en el líquido a granel, fuera de la doble capa eléctrica , que puede generar inestabilidades de flujo temporales, convectivas y absolutas. Los flujos electrocinéticos con gradientes de conductividad se vuelven inestables cuando el estiramiento y plegamiento electroviscoso de las interfaces de conductividad crece más rápido que el efecto disipativo de la difusión molecular.
Dado que estos flujos se caracterizan por bajas velocidades y escalas de longitud pequeñas, el número de Reynolds es inferior a 0,01 y el flujo es laminar . La aparición de inestabilidad en estos flujos se describe mejor como un "número de Rayleigh" eléctrico.
Los líquidos se pueden imprimir a nanoescala mediante piro-EHD. [11]
