En química , el flujo electroosmótico ( EOF , guión opcional; sinónimo de electroósmosis o electroendosmosis ) es el movimiento de un líquido inducido por un potencial aplicado a través de un material poroso , tubo capilar , membrana , microcanal o cualquier otro conducto de fluido. . Debido a que las velocidades electroosmóticas son independientes del tamaño del conducto, siempre que la doble capa eléctrica sea mucho más pequeña que la escala de longitud característica del canal, el flujo electroosmótico tendrá poco efecto. El flujo electroosmótico es más significativo en canales pequeños y es un componente esencial en las técnicas de separación química, en particular la electroforesis capilar . El flujo electroosmótico puede ocurrir en agua natural sin filtrar, así como en soluciones tamponadas .
El flujo electroosmótico fue informado por primera vez en 1807 por Ferdinand Friedrich Reuss (18 de febrero de 1778 (Tübingen, Alemania) - 14 de abril de 1852 (Stuttgart, Alemania)) [1] en una conferencia inédita ante la Sociedad Médico-Física de Moscú; [2] Reuss publicó por primera vez un relato del flujo electroosmótico en 1809 en las Memorias de la Sociedad Imperial de Naturalistas de Moscú . [3] [4] Demostró que se podía hacer que el agua fluyera a través de un tapón de arcilla aplicando un voltaje eléctrico. La arcilla está compuesta de partículas muy compactas de sílice y otros minerales, y el agua fluye a través de los estrechos espacios entre estas partículas tal como lo haría a través de un estrecho tubo de vidrio. Cualquier combinación de un electrolito (un fluido que contiene iones disueltos) y un sólido aislante generaría un flujo electroosmótico, aunque para agua/ sílice el efecto es particularmente grande. Aun así, las velocidades del flujo suelen ser de sólo unos pocos milímetros por segundo.
La electroósmosis fue descubierta de forma independiente en 1814 por el químico inglés Robert Porrett Jr. (1783-1868). [5] [6]
El flujo electroosmótico es causado por la fuerza de Coulomb inducida por un campo eléctrico sobre la carga eléctrica móvil neta en una solución. Debido a que el equilibrio químico entre una superficie sólida y una solución electrolítica generalmente conduce a que la interfaz adquiera una carga eléctrica neta fija, se forma una capa de iones móviles, conocida como doble capa eléctrica o capa de Debye, en la región cercana a la interfaz. Cuando se aplica un campo eléctrico al fluido (generalmente a través de electrodos colocados en las entradas y salidas), la fuerza de Coulomb resultante induce el movimiento de la carga neta en la doble capa eléctrica. El flujo resultante se denomina flujo electroosmótico.
El flujo resultante de aplicar un voltaje es un flujo pistón . A diferencia de un flujo de perfil parabólico generado a partir de un diferencial de presión, el perfil de velocidad de un flujo tipo pistón es aproximadamente plano, con una ligera variación cerca de la doble capa eléctrica. Esto ofrece efectos dispersivos significativamente menos nocivos y se puede controlar sin válvulas, lo que ofrece un método de alto rendimiento para la separación de fluidos, aunque muchos factores complejos hacen que este control sea difícil. Debido a las dificultades para medir y monitorear el flujo en los canales de microfluidos, principalmente alterando el patrón de flujo, la mayor parte del análisis se realiza mediante métodos numéricos y simulación. [7]
El flujo electroosmótico a través de microcanales se puede modelar según la ecuación de Navier-Stokes con la fuerza impulsora derivada del campo eléctrico y el diferencial de presión. Por tanto, se rige por la ecuación de continuidad.
donde U es el vector de velocidad, ρ es la densidad del fluido, es la derivada del material , μ es la viscosidad del fluido, ρ e es la densidad de carga eléctrica, ϕ es el campo eléctrico aplicado, ψ es el campo eléctrico debido a el potencial zeta en las paredes y p es la presión del fluido.
La ecuación de Laplace puede describir el campo eléctrico externo.
mientras que el potencial dentro de la doble capa eléctrica se rige por
donde ε es la constante dieléctrica de la solución electrolítica y ε 0 es la permitividad del vacío . Esta ecuación se puede simplificar aún más utilizando la aproximación de Debye-Hückel.
donde 1/ k es la longitud de Debye , utilizada para describir el espesor característico de la doble capa eléctrica. Las ecuaciones para el campo potencial dentro de la doble capa se pueden combinar como
El transporte de iones en el espacio se puede modelar utilizando la ecuación de Nernst-Planck : [8]
Donde está la concentración de iones, es el potencial del vector magnético , es la difusividad de las especies químicas, es la valencia de las especies iónicas, es la carga elemental , es la constante de Boltzmann y es la temperatura absoluta .
El flujo electroosmótico se usa comúnmente en dispositivos de microfluidos , [9] [10] análisis y procesamiento de suelos, [11] y análisis químicos, [12] todos los cuales involucran rutinariamente sistemas con superficies altamente cargadas, a menudo de óxidos . Un ejemplo es la electroforesis capilar , [10] [12] en la que se utilizan campos eléctricos para separar sustancias químicas según su movilidad electroforética aplicando un campo eléctrico a un capilar estrecho, generalmente hecho de sílice . En las separaciones electroforéticas, el flujo electroosmótico afecta el tiempo de elución de los analitos.
El flujo electroosmótico se activa en un FlowFET para controlar electrónicamente el flujo de fluido a través de una unión.
Se prevé que los dispositivos microfluídicos que utilizan flujo electroosmótico tendrán aplicaciones en la investigación médica. Una vez que se comprenda e implemente mejor el control de este flujo, la capacidad de separar fluidos a nivel atómico será un componente vital para los descargadores de drogas. [13] Mezclar fluidos a microescala actualmente es problemático. Se cree que el control eléctrico de fluidos será el método en el que se mezclan pequeños fluidos. [13]
Un uso controvertido de los sistemas electroosmóticos es el control de la humedad ascendente en las paredes de los edificios. [14] Si bien hay poca evidencia que sugiera que estos sistemas puedan ser útiles para mover sales en las paredes, se afirma que tales sistemas son especialmente efectivos en estructuras con paredes muy gruesas. Sin embargo, algunos afirman que no existe una base científica para esos sistemas y citan varios ejemplos de su fracaso. [15]
La electroósmosis también se puede utilizar para el autobombeo de poros impulsado por reacciones químicas en lugar de campos eléctricos. Este enfoque, utilizando H 2 O 2 , ha sido demostrado [16] y modelado con las ecuaciones de Nernst-Planck-Stokes. [8]
En las pilas de combustible , la electroósmosis hace que los protones que se mueven a través de una membrana de intercambio de protones (PEM) arrastren moléculas de agua de un lado ( ánodo ) al otro ( cátodo ).
En biología de plantas vasculares, la electroósmosis también se utiliza como una explicación alternativa o complementaria para el movimiento de líquidos polares a través del floema que difiere de la teoría de tensión de cohesión proporcionada en la hipótesis del flujo de masa y otras, como la corriente citoplasmática . [17] Las células compañeras participan en la extracción "cíclica" de iones (K + ) de los tubos cribosos y su secreción paralela a su posición de extracción entre las placas cribosas, lo que resulta en la polarización de los elementos de las placas cribosas junto con la diferencia potencial de presión, y da como resultado que las moléculas de agua polares y otros solutos presentes se muevan hacia arriba a través del floema. [17]
En 2003, graduados de la Universidad de San Petersburgo aplicaron corriente eléctrica directa a segmentos de 10 mm de mesocotilos de plántulas de maíz junto con brotes de tilo de un año; Las soluciones de electrolitos presentes en los tejidos se movieron hacia el cátodo que estaba en su lugar, lo que sugiere que la electroósmosis podría desempeñar un papel en el transporte de soluciones a través de tejidos vegetales conductores. [18]
Mantener un campo eléctrico en un electrolito requiere que se produzcan reacciones faradaicas en el ánodo y el cátodo. Se trata típicamente de electrólisis del agua , que genera peróxido de hidrógeno , iones de hidrógeno (ácido) e hidróxido (base), así como burbujas de oxígeno e hidrógeno . El peróxido de hidrógeno y/o los cambios de pH generados pueden afectar negativamente a las células biológicas y biomoléculas como las proteínas, mientras que las burbujas de gas tienden a "obstruir" los sistemas de microfluidos . Estos problemas pueden aliviarse mediante el uso de materiales de electrodos alternativos, como polímeros conjugados que pueden sufrir las reacciones faradaicas, reduciendo drásticamente la electrólisis. [19]
![{\displaystyle {\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla cc{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T} }c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c97c7ec55189c12ee10d7681425807b6958f9ea5)
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