Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электросмачивание — это изменение смачивающих свойств поверхности (обычно гидрофобной) под воздействием электрического поля.
Electrowetting is the modification of the wetting properties of a surface (which is typically hydrophobic) with an applied electric field.
История
Электросмачивание ртути и других жидкостей на поверхностях с переменным зарядом, вероятно, впервые было объяснено Габриэлем Липпманом в 1875 году и, безусловно, наблюдалось намного раньше. А. Н. Фрумкин использовал поверхностный заряд для изменения формы капель воды в 1936 году. Термин «электросмачивание» был впервые введен в 1981 году Г. Бени и С. Хаквудом для описания эффекта, предложенного для разработки нового типа дисплея, на который они получили патент. Использование «жидкостного транзистора» в микрожидкостных схемах для манипулирования химическими и биологическими жидкостями впервые было исследовано Дж. Брауном в 1980 году, а затем финансировалось в 1984–1988 годах по грантам NSF 8760730 и 8822197, с использованием изолирующих диэлектрических и гидрофобных слоев (EWOD), несмешивающихся жидкостей, постоянного или радиочастотного тока, а также массивов миниатюрных переплетенных (пилообразных) электродов с большими или согласованными электродами оксида индия-олова (ITO) для цифрового перемещения нанокапель по линейным, круговым и направленным траекториям, перекачки или смешивания жидкостей, заполнения резервуаров и электронного или оптического управления потоком жидкости. Позже, в сотрудничестве с Дж. Сильвером из NIH, электросмачивание на основе EWOD было применено для перемещения, разделения, удержания и герметизации массивов цифровых субпроб ПЦР с использованием однородных и несмешивающихся жидкостей. Электросмачивание с использованием изолирующего слоя поверх незащищенного электрода позднее было изучено Бруно Берже в 1993 году. Электросмачивание на этой поверхности с диэлектрическим покрытием называется электросмачиванием на диэлектрике (EWOD) для отличия от традиционного электросмачивания на незащищенном электроде. Электросмачивание можно продемонстрировать, заменив металлический электрод в системе EWOD полупроводником. Электросмачивание также наблюдается при приложении обратного смещения к проводящей капле (например, ртути), помещенной непосредственно на поверхность полупроводника (например, кремния) для формирования контакта Шоттки в электрической схеме диода Шоттки – этот эффект был назван «электросмачиванием Шоттки». Микрожидкостная манипуляция жидкостями посредством электросмачивания была впервые продемонстрирована с ртутными каплями в воде, а затем с водой в воздухе. Если жидкость дискретизирована и программируемо манипулируется, такой подход называется «цифровыми микрожидкостными схемами» или «цифровой микрожидкостью». Дискретизация посредством электросмачивания на диэлектрике (EWOD) была впервые продемонстрирована Чо, Муном и Кимом.
The electrowetting of mercury and other liquids on variably charged surfaces was probably first explained by Gabriel Lippmann in 1875 and was certainly observed much earlier. A. N. Frumkin used surface charge to change the shape of water drops in 1936. The term electrowetting was first introduced in 1981 by G. Beni and S. Hackwood to describe an effect proposed for designing a new type of display device for which they received a patent. The use of a "fluid transistor" in microfluidic circuits for manipulating chemical and biological fluids was first investigated by J. Brown in 1980 and later funded in 1984–1988 under NSF Grants 8760730 & 8822197, employing insulating dielectric and hydrophobic layer(s) (EWOD), immiscible fluids, DC or RF power; and mass arrays of miniature interleaved (saw tooth) electrodes with large or matching indium tin oxide (ITO) electrodes to digitally relocate nano droplets in linear, circular, and directed paths, pump or mix fluids, fill reservoirs, and control fluid flow electronically or optically. Later, in collaboration with J. Silver at the NIH, EWOD based electrowetting was disclosed for single and immiscible fluids to move, separate, hold, and seal arrays of digital PCR sub samples. Electrowetting using an insulating layer on top of a bare electrode was later studied by Bruno Berge in 1993. Electrowetting on this dielectric coated surface is called electrowetting on dielectric (EWOD) to distinguish it from the conventional electrowetting on the bare electrode. Electrowetting can be demonstrated by replacing the metal electrode in the EWOD system by a semiconductor. Electrowetting is also observed when a reverse bias is applied to a conducting droplet (e. g. mercury) which has been placed directly onto a semiconductor surface (e. g. silicon) to form a Schottky contact in a Schottky diode electrical circuit configuration – this effect has been termed ‘Schottky electrowetting’. Microfluidic manipulation of liquids by electrowetting was demonstrated first with mercury droplets in water and later with water in air Manipulation of droplets on a two dimensional path was demonstrated later. If the liquid is discretized and programmably manipulated, the approach is called "Digital Microfluidic Circuits" or "Digital Microfluidics". Discretization by electrowetting on dielectric (EWOD) was first demonstrated by Cho, Moon, and Kim.
Обратная электросмока
Обратное электросмачивание можно использовать для сбора энергии посредством схемы преобразования механической энергии в электрическую.
Reverse electrowetting can be used to harvest energy via a mechanical to electrical engineering scheme.
Электрозажигание на пленке с жидкостью (EWOLF)
Еще одна конфигурация электросмачивания – это электросмачивание на жидкости, пропитанной в пленку. Пленка, пропитанная жидкостью, достигается путем удержания жидкой смазки в пористой мембране посредством точного контроля смачивающих свойств жидкой и твердой фаз. Используя незначительное закрепление линии контакта на границе раздела жидкость-жидкость, реакция капли в EWOLF может быть электрически управляема с более высокой степенью переключаемости и обратимости по сравнению с традиционным EWOD. Более того, инфильтрация жидкой смазочной фазы в пористую мембрану также эффективно усиливает диссипацию вязкой энергии, подавляя колебания капли и обеспечивая быструю реакцию без ущерба для желаемой обратимости электросмачивания. В то же время, демпфирующий эффект, связанный с EWOLF, может быть настроен путем изменения вязкости и толщины жидкой смазки.
Another electrowetting configuration is electrowetting on liquid infused film. The liquid infused film is achieved by locking a liquid lubricant in a porous membrane through the delicate control of wetting properties of the liquid and solid phases. Taking advantage of the negligible contact line pinning at the liquid liquid interface, the droplet response in EWOLF can be electrically addressed with enhanced degree of switchability and reversibility compared to the conventional EWOD. Moreover, the infiltration of liquid lubricant phase in the porous membrane also efficiently enhances the viscous energy dissipation, suppressing the droplet oscillation and leading to fast response without sacrificing the desired electrowetting reversibility. Meanwhile, the damping effect associated with the EWOLF can be tailored by manipulating the viscosity and thickness of liquid lubricant.
Опто- и фотоэлектроувлажнение
Оптоэлектросмачивание и фотоэлектросмачивание – это оба оптически индуцированных эффекта электросмачивания. Оптоэлектросмачивание включает в себя использование фотопроводника, а фотоэлектросмачивание использует фотоёмкость и может наблюдаться, если проводник в структуре жидкость/изолятор/проводник, используемой для электросмачивания, заменяется полупроводником. Оптически модулируя число носителей заряда в обеднённом слое полупроводника, можно непрерывно изменять угол контакта капли жидкости. Этот эффект можно объяснить модификацией уравнения Юнга-Липмана.
Optoelectrowetting, and photoelectrowetting are both optically induced electrowetting effects. Optoelectrowetting involves the use of a photoconductor whereas photoelectrowetting use a photocapacitance and can be observed if the conductor in the liquid/insulator/conductor stack used for electrowetting is replaced by a semiconductor. By optically modulating the number of carriers in the space charge region of the semiconductor, the contact angle of a liquid droplet can be altered in a continuous way. This effect can be explained by a modification of the Young Lippmann equation.
Материалы
По причинам, которые все еще исследуются, теоретически предсказанное поведение электросмачивания демонстрирует лишь ограниченный набор поверхностей. В связи с этим для создания ожидаемого поведения смачивания используются альтернативные материалы для покрытия и функционализации поверхности. Например, аморфные фторполимеры широко применяются в качестве покрытий для электросмачивания, и установлено, что поведение этих фторполимеров можно улучшить путем соответствующего текстурирования поверхности. Эти фторполимеры наносятся на необходимый проводящий электрод, обычно изготовленный из алюминиевой фольги или оксида индия-олова (ITO), для достижения желаемых свойств электросмачивания. В коммерческой доступности имеются три типа таких полимеров: гидрофобные и сверхгидрофобные полимеры серии V FluoroPel от Cytonix, CYTOP от Asahi Glass Co. и Teflon AF от DuPont. Также используются другие поверхностные материалы, такие как SiO2 и золото на стекле. Эти материалы позволяют самим поверхностям выступать в качестве заземляющих электродов для электрического тока. Области применения включают модульные и регулируемые линзы, электронные дисплеи (электронную бумагу), наружные электронные дисплеи и переключатели для оптических волокон. Недавно электросмачивание стало применяться для манипулирования мягкими материалами, в частности, для подавления эффекта "кофейного кольца". Кроме того, предложены фильтры с функцией электросмачивания для очистки разливов нефти и разделения нефтеводных смесей.
For reasons that are still under investigation, only a limited set of surfaces exhibit the theoretically predicted electrowetting behavior. Because of this, alternative materials that can be used to coat and functionalize the surface are used to create the expected wetting behavior. For example, amorphous fluoropolymers are widely used electrowetting coating materials, and it has been found that the behavior of these fluoropolymers can be enhanced by the appropriate surface patterning. These fluoropolymers coat the necessary conductive electrode, typically made of aluminum foil or indium tin oxide (ITO), to create the desired electrowetting properties. Three types of such polymers are commercially available: FluoroPel hydrophobic and superhydrophobic V series polymers are sold by Cytonix, CYTOP is sold by Asahi Glass Co., and Teflon AF is sold by DuPont. Other surface materials such as SiO2 and gold on glass have been used. These materials allow the surfaces themselves to act as the ground electrodes for the electric current. from modular to adjustable lenses, electronic displays (e paper), electronic outdoor displays, and switches for optical fibers. Electrowetting has recently been evoked for manipulating soft matter particularly, suppressing coffee ring effect. Furthermore, filters with electrowetting functionality has been suggested for cleaning oil spills and separating oil water mixtures.
Международная встреча
Международная конференция по электросмачиванию проводится каждые два года. Последняя конференция состоялась 18–20 июня 2018 года в Университете Твенте, Нидерланды. Предыдущими местами проведения конференции по электросмачиванию были: Монс (1999), Эйндховен (2000), Гренобль (2002), Блауберен (2004), Рочестер (2006), Лос-Анджелес (2008), Поханг (2010), Афины (2012), Цинциннати (2014), Тайбэй (2016).
An international meeting for electrowetting is held every two years. The most recent meeting was held on June 18 to 20, 2018, at the University of Twente, the Netherlands. The previous hosts of the electrowetting meeting are: Mons (1999), Eindhoven (2000), Grenoble (2002), Blaubeuren (2004), Rochester (2006), Los Angeles (2008), Pohang (2010), Athens (2012), Cincinnati (2014), Taipei (2016).