Введение

Устройство, использующее электричество для диспергирования жидкости в тонкие аэрозольные высоковольтные индукционные распылители Название электроспрей используется для устройства, использующего электричество для диспергирования жидкости или тонкого аэрозоля, получаемого в результате этого процесса. Высокое напряжение подается на жидкость, подаваемую через излучатель (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая кончика излучателя, образует конус Тейлора, который излучает струю жидкости через свою вершину. Варикозные волны на поверхности струи приводят к образованию небольших и сильно заряженных жидких капель, которые радиально рассеиваются из-за кулоновского отталкивания.

История

В конце 16 века Уильям Гилберт начал описывать поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного куска янтаря капли воды деформируются в конус. Этот эффект явно связан с электрораспылением, хотя Гилберт не записал никаких наблюдений, связанных с дисперсией жидкости под действием электрического поля. В 1750 году французский священник и физик Жан Антуан (Аббе) Ноле заметил, что вода, вытекающая из сосуда, будет аэрозолизироваться, если сосуд будет электрифицирован и помещен рядом с электрическим полем. В 1882 году лорд Рэйли теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести жидкая капля; это теперь известно как "граница Рэйли". Его предсказание о том, что капельца, достигшая этого предела, выбросит мелкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более чем 100 лет спустя. В 1914 году Джон Зелени опубликовал работу о поведении капель жидкости в конце стеклянных капилляров. В этом докладе представлены экспериментальные данные по нескольким режимам работы электрораспыления (капельчатое, разрывное, пульсирующее и конусовое излучение). Несколько лет спустя Зелени сделал первые снимки динамического жидкого мениска. Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Инграм Тейлор разработал теоретическую основу электрораспыления. Тейлор смоделировал форму конуса, образованного каплей жидкости под действием электрического поля; эта характерная форма каплицы теперь известна как конус Тейлора. Далее он работал с Дж. Р. Мелчером над разработкой "пробивной диэлектрической модели" для проведения жидкостей. Количество публикаций об электропряжении начало значительно расти около 1990 года (как показано на рисунке справа), когда Джон Фенн (Нобелевская премия по химии 2002 года) и другие обнаружили ионизацию электропряжкой для масс-спектрометрии.

Механизм

Для упрощения обсуждения в следующих абзацах будет рассмотрен случай положительного электропряжа с высоким напряжением, применяемым к металлическому излучателю. Рассматривается классическая установка электрораспыления, при этом излучатель расположен на расстоянии от заземленного противоэлектрода. Для распыленной жидкости характерны вязкость , поверхностное натяжение , проводимость и относительная проницаемость .

Влияние небольших электрических полей на жидкие мениски

Под действием поверхностного напряжения жидкий мениск принимает полусферическую форму на кончике излучателя. Применение положительного напряжения будет индуцировать электрическое поле: где радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: носители отрицательного/положительного заряда мигрируют к/от электрода, где применяется напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой геометрии равновесия с меньшим радиусом кривизны.

Конус Тейлора

Напряжение выше порога притягивает жидкость в конус. Сэр Джеффри Инграм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, основываясь на предположениях, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в равновесии устойчивого состояния. Неопределенные символы обозначают характерную длину и пропускную способность вакуума. Из-за внутренней варикозной нестабильности заряженный струя жидкости, выброшенная через конусовую вершину, разбивается на небольшие заряженные капли, которые радиально рассеиваются космическим зарядом.

Закрытие электрической цепи

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и улавливается на встречном электроде в виде заряженных капель или положительных ионов. Для балансирования потерь заряда избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически в излучателе. Неравновесие между количеством заряда, генерируемого электрохимически, и количеством заряда, потерянного в вершине конуса, может привести к нескольким режимам работы электрораспыления. Для конусовых струи электроприцепов потенциал на интерфейсе металл/жидкость саморегулируется, чтобы генерировать такое же количество заряда, как и теряется через конусовую вершину.

Электропряжевая ионизация

Электроспрей стал широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенна успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа крупных биомолекул.

Источник жидких металлических ионов

Источник жидких металлических ионов (LMIS) использует электропрыз в сочетании с жидким металлом для образования ионов. Ионы образуются при испарении поля на кончике конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионной имплантации и в инструментах сфокусированного ионного луча.

Электроплиннинг

Подобно стандартному электропряжению, при применении высокого напряжения к раствору полимера может образовываться геометрия конусового струи. Если струя превращается в очень мелкие волокна вместо того, чтобы разбиваться на маленькие капли, процесс известен как электроспиннинг .

Коллоидные двигатели

Электропряжающие методы используются в качестве малой тяги электрических двигателей ракетного движения для управления спутниками, так как мелкий контролируемый выброс частиц позволяет точно и эффективно тянуть.

Осаждение частиц для наноструктур

Электропряж может использоваться в нанотехнологии, например, для осаждения отдельных частиц на поверхностях. Это делается путем распыления коллоидов, содержащих в среднем только одну частицу на капли. Растворитель испаряется, оставляя после себя поток аэрозоля из отдельных частиц нужного типа. Ионизирующее свойство процесса не имеет решающего значения для применения, но может использоваться при электростатическом осаждении частиц.

Осаждение ионов в качестве предшественников для наночастиц и наноструктур

Вместо того, чтобы откладывать наночастицы, наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены на месте путем откладывания ионов металла в желаемых местах. Считалось, что механизм образования наноструктуры - это электрохимическое восстановление ионов до атомов и их сборка на месте.

Изготовление носителей наркотиков

Электроспрей привлек внимание в области доставки лекарств, и он был использован для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, используемые в иммунотерапии, а также липоплексы, используемые для доставки нуклеиновой кислоты. Частицы лекарственного средства размером до микрометров, образующиеся при электрораспылении, обладают повышенной скоростью растворения, что повышает биодоступность из-за увеличения площади поверхности. Таким образом, побочные эффекты лекарств могут быть уменьшены, так как для достижения того же эффекта достаточно меньшей дозы.

Очистители воздуха

Электроспрей используется в некоторых очистителях воздуха. Частицы, находящиеся в воздухе, могут быть заряжены аэрозольным электроспреем, манипулируемым электрическим полем и собранными на заземленном электроде. Этот подход минимизирует выработку озона, который является общим для других типов очистителей воздуха.