La electrohumectación es la modificación de las propiedades humectantes de una superficie (que normalmente es hidrófoba ) con un campo eléctrico aplicado .
La electrohumectación del mercurio y otros líquidos sobre superficies con carga variable fue probablemente explicada por primera vez por Gabriel Lippmann en 1875 [1] y ciertamente se observó mucho antes. AN Frumkin utilizó la 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 que recibieron una patente. [3] El uso de un "transistor de fluido" en circuitos microfluídicos 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 capa(s) dieléctrica e hidrófoba aislante (EWOD), fluidos inmiscibles, energía CC o RF; y matrices de masas de electrodos intercalados en miniatura (dientes de sierra) con electrodos de óxido de indio y estaño (ITO) grandes o iguales para reubicar digitalmente nanogotas en trayectorias lineales, circulares y dirigidas, bombear o mezclar fluidos, llenar depósitos y controlar el flujo de fluidos de forma electrónica u óptica. Más tarde, en colaboración con J. Silver en el NIH, se divulgó la electrohumectación basada en EWOD para fluidos individuales e inmiscibles para mover, separar, sujetar y sellar matrices de submuestras de PCR digital. [5]
La electrohumectación mediante una capa aislante sobre un electrodo desnudo fue estudiada posteriormente por Bruno Berge en 1993. [6] La electrohumectación sobre esta superficie revestida de dieléctrico se denomina electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD) [7] para distinguirla de la electrohumectación convencional sobre el electrodo desnudo. La electrohumectación se puede demostrar reemplazando el electrodo metálico en el 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 por electrohumectación se demostró primero con gotas de mercurio en agua [11] y más tarde 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 se discretiza y se manipula de forma programable, el enfoque se denomina "circuitos microfluídicos digitales" [15] [16] o " microfluídica digital ". [17] La discretización por electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD) fue demostrada por primera vez por Cho, Moon y Kim. [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 se puede entender en términos de las fuerzas que resultan del campo eléctrico aplicado. [19] [20] El campo de borde en las esquinas de la gota de electrolito tiende a tirar de la gota hacia abajo sobre 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 químicos y eléctricos, y la carga se convierte en un término significativo 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 la electrohumectación se da considerando su modelo termodinámico. Si bien es posible obtener un modelo numérico detallado de la electrohumectación considerando la forma precisa del campo eléctrico marginal y cómo afecta la curvatura local de la gota, tales soluciones son matemática y computacionalmente complejas. La derivación termodinámica se realiza 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:
Combinando las dos ecuaciones se obtiene 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 del 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 se ven ciertamente 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.
Recientemente, Klarman et al. [21] demostraron 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 predice que también es posible la electrohumectación inversa (el ángulo de contacto aumenta con el voltaje).
Chevaloitt [22] también ha demostrado experimentalmente que la saturación del ángulo de contacto es invariable respecto de todos los parámetros de los materiales, lo que revela 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 está siendo sugerida por varios otros grupos.
La electrohumectación inversa [23] se puede utilizar para recolectar energía a través de un esquema de ingeniería mecánico-eléctrica.
Otra configuración de electrohumectación es la electrohumectación sobre película infundida con líquido. La película infundida con líquido se logra bloqueando un lubricante líquido en una membrana porosa a través del delicado control de las propiedades de humectación 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 grado mejorado de capacidad de conmutación y reversibilidad en comparación con el EWOD convencional. Además, la infiltración de la fase de lubricante líquido en la membrana porosa también mejora de manera eficiente la disipación de energía viscosa, suprimiendo la oscilación de las gotas y dando lugar a una respuesta rápida sin sacrificar la reversibilidad de 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 utilizada para la electrohumectación se reemplaza por un semiconductor . Al modular ópticamente el número de portadores en la región de carga espacial del semiconductor, el ángulo de contacto de una gota de líquido se puede alterar de manera continua. Este efecto se puede explicar mediante una modificación de la ecuación de Young-Lippmann.
Por razones que aún se encuentran bajo investigación, solo un conjunto limitado de superficies exhiben el comportamiento de electrohumectación predicho teóricamente. Debido a esto, se utilizan materiales alternativos que se pueden usar para recubrir y funcionalizar la superficie para crear el comportamiento de humectación esperado. Por ejemplo, los fluoropolímeros amorfos son materiales de recubrimiento de electrohumectación ampliamente utilizados, y se ha descubierto que el comportamiento de estos fluoropolímeros se puede mejorar mediante el patrón de superficie 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 de electrohumectación deseadas. [28] Hay tres tipos de tales polímeros disponibles comercialmente: los polímeros hidrofóbicos y superhidrofóbicos FluoroPel de la serie V 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 actualmente 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 sugerido la electrohumectación para manipular materia blanda, en particular, suprimiendo el efecto de anillo de café . [32] Además, se han sugerido filtros con funcionalidad de electrohumectación 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 anfitriones anteriores de la reunión sobre electrohumectación son: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Ángeles (2008), Pohang (2010), Atenas (2012), Cincinnati (2014), Taipei (2016).
