FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь
176 городов
September – October
176 cities
6-8 октября 2017
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
октябрь-декабрь 2017
МВДЦ «Сибирь», Кванториум,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»

Как жидкость течет под действием электрического поля

РУБРИКА: ТЕХНОЛОГИИ

Группа ученых из МГУ узнала больше о том, как жидкость течет под действием электрического поля

Группа российских исследователей под руководством профессора МГУ и заведующей лабораторией ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН Ольги Виноградовой разработала теорию, которая по-новому описывает ситуацию с транспортом жидкости, текущей вдоль поверхности под воздействием электрического поля. Полученные результаты в будущем смогут быть использованы в научных исследованиях в физике, химии и биологии, а также во множестве практических приложений, включая медицину и фармацевтику. Статья о работе была опубликована в последнем номере одного из лучших мировых журналов по физике Physical Review Letters (импакт-фактор — 7,8).

Эксперимент профессора Московского университета Фердинанда Рейсса 1807 года – процесс электроосмоса. В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиватьсяТечение жидкости под действием электрического поля через капилляр, пористую преграду или, как в данном случае, в тонком канале, носит название «электроосмос». Этот эффект был открыт еще в 1807 году профессором Московского университета уроженцем Германии Фердинандом Рейссом в ходе довольно простого эксперимента . В изогнутую стеклянную трубку наливалась вода, а изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. Когда же к воде в коленах подавалось напряжение, она начинала через эту перегородку просачиваться (рисунок справа).

Связанное с электроосмосом явление движения твердых частиц в жидкости под влиянием электрического поля было названо электрофорезом.

Простота эффекта скрывала за собой довольно сложную физику, в которой ученым удалось разобраться лишь век спустя, когда польский физик Мариан Смолуховский в 1909 году смог теоретически описать процесс электроосмоса. В течение следующего века никто его теорию сомнению не подвергал, и только сейчас выясняется, что это лишь частный случай более общей теории, применимый только тогда, когда жидкость течет вдоль гидрофильной, то есть хорошо смачиваемоей поверхности, где следует учитывать (что Смолуховский и сделал) эффект прилипания жидкости. Теперь выясняется, что в случае с гидрофобной, плохо смачиваемой поверхности, нужно учитывать совершенно другое.

Выяснилась эта маленькая подробность как нельзя вовремя, в момент расцвета новых наук — микро- и нанофлюидики — имеющих дело с течением жидкости сквозь очень тонкие каналы. Через сверхтонкие каналы очень сложно организовывать течения с помощью механического воздействия, например создавая перепад давлений, который должен быть несообразно мощным. Если насос заменить небольшой батарейкой, то в сверхтонком канале можно создать быстрое электроосмотическое течение.

Волей-неволей физикам пришлось подвергнуть сомнению догмы доброй старой гидродинамики. Авторы статьи, которыми, помимо Ольги Виноградовой, являются еще молодые ученые с физического факультета МГУ Салим Мадуар и Алексей Беляев, показали теоретически и подтвердили в компьютерном эксперименте, что при количественном описании течений в электрических полях вдоль гидрофобной поверхности следует учитывать не граничное условие прилипания жидкости, использованное Смолуховским, а наоборот, электро-гидродинамическое условие скольжения. Такой поворот сразу изменил картину происходящего.

Около заряженной поверхности в растворе образуется облако ионов противоположного знака, которое и является причиной возникновения электро-осмотического течения. Здесь возможны два варианта — когда поверхностные заряды неподвижны, и когда они могут перемещаться вдоль поверхности под воздействием приложенного электрического поля. В случае с неподвижными зарядами все относительно просто – благодаря гидрофобному скольжению скорость электро-осмотического течения увеличивается. Когда же поверхностный заряд способен реагировать на приложенное электрическое поле, возникает, утверждают ученые, масса вариантов, порой совершенно неожиданных. Например, в статье показано, что можно индуцировать электро-осмотическое течение даже вблизи незаряженной поверхности или, наоборот, полностью подавить такое течение в каналах с идеально скользкими заряженными стенками.

Главным «действующим лицом» теории Смолуховского был так называемый дзета-потенциал, физико-химический параметр, рассчитываемый по специальной формуле и говорящий, в частности, о степени электроосмотической и электрофоретической подвижности: чем выше дзета-потенциал, тем быстрее течение жидкости или движение частицы. До недавнего времени считалось, что фактически дзета-потенциал равен потенциалу поверхности твердого тела на границе с жидкостью. В новой теории герой остался прежним, однако его интерпретация существенно усложнилась.

«В теории Смолуховского предполагается, что дзета-потенциал равен потенциалу самой поверхности и не зависит от других поверхностей, которые находятся рядом, — утверждает Виноградова. — Эти выводы являются следствием классического гидродинамического условия прилипания жидкости к твердому телу. В нашей статье показано, что в случае гидрофобных поверхностей это не так из-за того, что гидрофобная поверхность скользкая, а ассоциированные со скользкой поверхностью ионы могут реагировать на электрическое поле».

Теперь дзета-потенциал оказался связан также с параметрами, характеризующими подвижность поверхностных зарядов и гидродинамическое скольжение на поверхности, и даже получил дополнительную зависимость от возможного близкого присутствия другой поверхности.

Жизнь с новой теорией стала сложнее, но понятнее. Так, эта теория позволила сразу разрешить несколько парадоксов, многие годы остававшихся под большим знаком вопроса. Например, она позволила объяснить результаты измерений дзета-потенциала пузырьков и капель.

«Эти измерения давно и неизменно показывали, что их дзета-потенциалы такие же, как у твердого тела, — говорит Ольга Виноградова. — Это объяснялось, в частности, наличием загрязнений на поверхности пузырьков и капель. Мы показали, что загрязнения здесь ни при чем, и что дзета-потенциал в данном случае действительно совпадает с дзета-потенциалом твердого тела, но уже совсем по другим причинам».

Теория также помогла понять вызывавшие жаркие споры электроосмотические течения в пенных пленках.

Возможные практические применения новой теории, по мнению Виноградовой, весьма обширны, хотя бы по той причине, что концепция дзета-потенциала широко используется во многих областях науки и техники, таких, например, как медицина, фармацевтика, обогащение полезных ископаемых, водоочистка, очистка почв от загрязнений и многое другое. Новая интерпретация этого параметра позволит лучше понимать результаты его экспериментальных измерений, она позволит также управлять его величиной. Особенно перспективно использование новой теории в области микро- и нанофлюидики, например, для дизайна устройств «лаборатория на чипе» и нанофлюидных диодов, уже используемых как для распознавания и разделения биомолекул, так и для конверсии энергии.

«Но, разумеется, путь от новой теории к практическим применениям всегда очень долог, — утверждает Виноградова. — Полагаю, первыми, кто будет использовать наши результаты, окажутся экспериментаторы». 

 

Биография Фердинанда Рейсса из книги «Биографический словарь профессоров и преподавателей Московского университета». Москва. Университетская типография. 1855

 

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Другие статьи в этой рубрике

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Очередное двумерное чудо

Станен, как его называют учёные, может оказаться топологическим изолятором при температурах вплоть до точки закипания воды, и это серьёзная претензия на звание следующего прорывного материала в электронике. Чудо-материал — это как чудо-оружие.

Космос как идея

Полувековой юбилей первого спутника — это

История одного чуда

Неизвестно, стал бы Алекс Каррель Нобелевским лауреатом, если бы в свое время не запятнал себя историей, которую ему так и не простили коллеги.

Как Архимед сжег римские корабли (смоделировано в современном эксперименте)

Люди издавна мечтали заставить Солнце служить земным целям. Одним из первых это смог сделать Архимед. Однажды с помощью Солнца он поджег римские корабли.

Загадки древнего мегалита

Древний мегалит Пума Пунку в Боливии – одна из самых загадочных достопримечательностей планеты.