مدلسازی جریان الکترواسموتیک و لایه دوگانه الکتریکی

دستگاه های میکروسیال به قدری کوچک هستند که میکروپمپ ها و میکرومیکسرهایی که سیال داخل دستگاه را کنترل و مخلوط می کنند نمی توانند اجزای متحرکی را درگیر کنند. در عوض، آنها باید از جریان الکترواسموتیک استفاده کنند. در اینجا، من مفهوم الکترواسموز و لایه دوگانه الکتریکی (EDL) و نحوه مدل‌سازی آن‌ها در COMSOL را شرح می‌دهم و شما را با دو مدل مثال آشنا می‌کنم.

دستگاه های میکروسیال به پمپ و میکسر بدون قطعات متحرک نیاز دارند

سیستم‌های میکروسیالی آزمایشگاه روی یک تراشه در سال‌های اخیر نقش مهمی در کاهش اندازه تجزیه و تحلیل‌های شیمیایی و بیولوژیکی در مقیاس آزمایشگاهی معمولی به قالب تراشه‌ای با اندازه میلی‌متر تا چند سانتی‌متر ایفا کرده‌اند. این دستگاه ها اغلب به عنوان سیستم های تجزیه و تحلیل میکرو کل (μTAS) شناخته می شوند و کاربردهای عمیقی در تشخیص پزشکی، آزمایش و تحویل دارو، آنالیز پزشکی قانونی، تجزیه و تحلیل DNA، و حتی ایمونواسی و نظارت بر سمیت دارند. این دستگاه ها مزایای بسیاری مانند تست نقطه ای مراقبت (POCT) را ارائه می دهند.و تشخیص به دلیل اندازه دستگاه بسیار کوچک آنها. این واقعیت که آنها به حجم کمتری از مایعات نیاز دارند برای شرایطی مناسب است که نمونه ها در حجم زیاد در دسترس نیستند یا زمانی که معرف ها گران هستند. این دستگاه ها همچنین می توانند چندین نمونه را به طور همزمان پردازش کنند (به عنوان پردازش موازی نامیده می شود ) و نیاز به توان کمی دارند.

اختلاط روی برد و کنترل سیال در یک سیستم معمولی آزمایشگاهی روی تراشه مهم است و اغلب این سیستم‌ها به میکروپمپ‌ها برای کنترل جریان سیال در داخل کانال‌ها و میکرومیکسرها برای تسریع فرآیند اختلاط نیاز دارند. اندازه کانال های سیال در این ریزتراشه ها معمولاً بین 1 میکرومتر تا 500 میکرومتر متغیر است. در این مقیاس های طولی، استفاده از قطعات متحرک برای ساخت پمپ ها و میکسرها عملی نیست. دستگاه های بدون قطعات متحرک نیز قابل اعتمادتر هستند. پس چگونه جریان را بدون هیچ قسمت متحرک فعال می کنید؟ پاسخ این است: الکترواسموز.

“الکترواسموز” به چه معناست

در زمینه میکروسیالات، جریان اغلب توسط یک میدان الکتریکی هدایت می شود. طبق تعریف، الکترواسموز به حرکت مایع القا شده توسط پتانسیل اعمال شده در طول یک میکروکانال اشاره دارد. هدایت جریان با میدان الکتریکی امکان ساخت پمپ ها و میکسرها را بدون قطعات متحرک فراهم می کند .

چه چیزی جریان الکترواسموتیک را هدایت می کند؟

برای درک بهتر نحوه هدایت جریان توسط یک میدان الکتریکی، ابتدا باید آنچه را که بسیار نزدیک به دیواره‌های داخل میکروکانال‌ها، در سطح مشترک مایع-جامد اتفاق می‌افتد، درک کنیم. اکثر دستگاه های آزمایشگاهی روی تراشه از شیشه سیلیکونی ساخته شده اند. هنگام تماس با سیال (این می تواند آب یا هر محلول بافری باشد)، سطح شیشه در واکنش های اسید-باز و تبادل یونی شرکت می کند – ما به این فرآیند پیچیده به عنوان شیمی سطح اشاره خواهیم کرد . به دلیل شیمی سطح، سطح شیشه بار چگالی منفی پیدا می کند. مفهوم دو لایه الکتریکی (EDL)به عنوان یک توصیف پیوسته از این شیمی سطح در دیوارها معرفی شده است. توزیع نابرابر بارها (یون ها) را در سطح مشترک مایع-جامد منعکس می کند و از دو لایه اطراف جسم تشکیل شده است:

1. لایه اول که به عنوان لایه بار سطحی شناخته می شود از یون های جذب شده در سطح در اثر واکنش های شیمیایی (بارهای منفی در این مورد) ساخته شده است.
2. لایه دوم که به عنوان لایه انتشاری شناخته می شود از یون های آزاد تشکیل شده است که به دلیل تأثیر جاذبه الکتریکی و حرکت حرارتی به سطح جذب می شوند . این لایه دوم بار سطحی را نمایش می دهد و بار خالص آن برابر با بار سطحی است، اما دارای قطب مخالف است.

دو لایه الکتریکی (EDL).

ساختار EDL در شکل بالا خلاصه شده است و توزیع یون ها را به عنوان تابعی از فاصله تا دیوار شیشه ای و همچنین پتانسیل (خط آبی در بالا) در EDL در مقابل یک نقطه در توده الکتروخنثی نشان می دهد. اگر نگاه دقیق‌تری به لایه انتشار بیندازیم، متوجه می‌شویم که می‌توان آن را بیشتر به دو قسمت تقسیم کرد که توسط صفحه لغزشی از هم جدا می‌شوند. این صفحه سیال بی حرکت سمت چپ (چسبیده به سطح) را از سیالی که تحت تأثیر تنش مماسی آزاد است جدا می کند. سپس می توان از یک میدان الکتریکی برای القای حرکت بار خالص در EDL به دلیل نیروی کولن استفاده کرد. دورتر از دیوار، لایه سوم، توده الکتروخنثی قرار دارد.

از آنجایی که انجام هر نوع اندازه گیری در کانال های میکروسیال بدون ایجاد اختلال در جریان دشوار است، این تراشه ها اغلب از نقطه نظر محاسباتی تجزیه و تحلیل می شوند. چگونه می توانیم این را با استفاده از نرم افزار شبیه سازی مدل کنیم؟

مدلسازی لایه دوگانه الکتریکی (EDL)

سه فیزیک در این مشکل دخیل هستند:

1. فیزیک الکترواستاتیک شامل معادلات، شرایط مرزی و بارهای فضایی برای حل پتانسیل الکتریکی است. میدان الکتریکی از شیب میدان پتانسیل بازیابی می شود (). بار فضایی با جمع کردن سهم آنیون ها و کاتیون ها به دست می آید. غلظت این یون ها توسط رابط حمل و نقل گونه های رقیق محاسبه می شود .
2. رابط حمل و نقل گونه های رقیق شده برای انتقال انبوه گونه های رقیق شده در مخلوط ها حل می شود و غلظت گونه ها را حل می کند. انتقال گونه های شیمیایی را از طریق انتشار (قانون فیک)، مهاجرت (هنگامی که به یک میدان الکتریکی جفت می شود. در این مورد، میدان الکتریکی توسط رابط الکترواستاتیک محاسبه می شود) و همرفت (زمانی که با جریان سیال جفت می شود. در اینجا، جریان سیال شبیه سازی می شود. توسط رابط جریان آرام محاسبه می شود .)
3. رابط جریان آرام دارای معادلات، شرایط مرزی و نیروهای حجمی برای مدل‌سازی سیالات متحرک آزاد با استفاده از معادلات ناویر-استوکس ، حل میدان سرعت و فشار است. نیروی حجمی،، جایی کهچگالی بار الکتریکی است که توسط رابط الکترواستاتیک محاسبه می شود .

ضخامت EDL به طور کلی حدود چند نانومتر است و غلظت یون ها به طور تصاعدی نزدیک به دیواره متفاوت است. از آنجایی که ضخامت EDL بسیار کوچک است، استفاده از یک تقریب در این ناحیه می تواند سودمند باشد. COMSOL شامل یک شرط مرزی سرعت الکترواسموتیک است که میدان جریان بین دیوار و صفحه لغزش را نادیده می گیرد و به صورت تحلیلی سرعت در دیوار را بر اساس پتانسیل زتا با استفاده از رابطه Helmholtz-Smoluchowski محاسبه می کند:

مدل‌های به‌دست‌آمده نیازمند محاسباتی بسیار پایین‌تری خواهند بود. این یک رویکرد بسیار مفید برای بسیاری از کاربردهای مهندسی عملی است.

بنابراین، توصیه می کنیم قبل از اینکه مدل را با استفاده از COMSOL Multiphysics تنظیم کنید، ابتدا طول Debye ، یعنی طول EDL را محاسبه کنید. اگر این طول بسیار کوچکتر از مقیاس طول هندسی شما است، از شرط مرزی سرعت الکترواسموتیک استفاده کنید. اگر نه، از شرایط مرزی دیواره با سرعت بدون لغزش استفاده کنید و جریان را در EDL حل کنید. به یاد داشته باشید که غلظت با پتانسیل در لایه های دوتایی به طور تصاعدی تغییر می کند. اگر از شرایط مرزی سرعت الکترواسموتیک استفاده نشود، یک شبکه لایه مرزی ظریف برای حل تغییر ناگهانی در لایه‌های دوگانه ضروری است.

در بخش بعدی دو مثال را به شما نشان می‌دهم که در آن کاربرد دارد. اولین مثال یک میکروپمپ است که در کل هندسه، از جمله EDL حل می شود. مثال دوم، یک میکرومیکسر، از شرایط مرزی سرعت الکترواسموتیک استفاده می کند.

برنامه های کاربردی

مثال 1: میکروپمپ ها

در این مثال، دیواره های بالا و پایین میکروکانال (طول 60 نانومتر، ارتفاع 10 نانومتر) دارای بار منفی (0.02-) هستند.) و الکترودها در ورودی (مرز چپ، 6 میلی ولت) و خروجی (مرز راست، 0 ولت) برای هدایت جریان استفاده می شوند. پتانسیل الکتریکی حاصل، توزیع بار فضایی و میدان سرعت در زیر نشان داده شده است:

ترسیم پتانسیل الکتریکی محاسبه شده توسط فیزیک الکترواستاتیک.

نموداری که بار خالص فضایی، یعنی سهم آنیون ها و کاتیون ها را نشان می دهد. بار خالص مثبت دیوار دارای بار منفی را نمایش می دهد.

نمودار سرعت نشان دهنده حرکت بار خالص در EDL ناشی از نیروی کولن است.

برای معرفی مثال بعدی، میکرومیکسر، ابتدا ببینیم چه اتفاقی می‌افتد وقتی بخش‌هایی از دیواره‌های شیشه‌ای بالا و پایین (که در نمودار بعدی به رنگ آبی نشان داده شده‌اند) بار مثبت دارند (۰.۰۶).) به جای بار منفی:

نتایج برای پتانسیل الکتریکی، بار فضایی و میدان سرعت به شرح زیر است:

در حالی که بار فضایی در اطراف دیوارهای دارای بار منفی مثبت است، در اطراف قسمت های دارای بار مثبت منفی است. وارونگی بار فضایی منجر به سرعت الکترواسموتیک مخالف نزدیک به دیوار می شود. این سرعت مخالف نزدیک به دیوار منجر به ایجاد یک چرخش در کانال می شود (همانطور که در الگوهای ساده دیده می شود)، که می تواند برای مخلوط کردن گونه های شیمیایی مختلف استفاده شود.

مثال 2: میکرومیکسرها

در مقیاس میکرو، جریان معمولاً یک جریان آرام بسیار منظم است و عدم اغتشاش باعث می شود که انتشار مکانیسم اصلی اختلاط باشد. در حالی که اختلاط انتشاری مولکول‌های کوچک (و در نتیجه گونه‌هایی که به سرعت در حال انتشار هستند) می‌تواند در عرض چند ثانیه در فواصل ده‌ها میکرومتر رخ دهد، مخلوط کردن مولکول‌های بزرگ‌تر مانند پپتیدها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک با وزن مولکولی بالا می‌تواند به زمان‌های تعادل نیاز داشته باشد. دقیقه تا ساعت در فواصل قابل مقایسه چنین تاخیرهایی برای بسیاری از آنالیزهای شیمیایی غیرعملی طولانی است. این مشکلات منجر به جستجوی شدید برای میکسرهای کارآمدتر برای سیستم های میکروسیال شده است. در مثال زیر، دیوارها دارای بار منفی هستند، همانطور که در مثال میکروپمپ که ما به آن اشاره کردیم، و از الکترودها در ورودی (مرز چپ) و خروجی (مرز سمت راست) برای هدایت جریان استفاده شده است. برای معرفی مقداری اختلاط، چهار الکترود اضافی روی دیواره‌های محفظه اختلاط قرار می‌گیرند. این چهار الکترود یک سرعت الکترواسموتیک نوسانی را در دیوار القا می کنند:

طرحی که نحوه عملکرد میکسر را نشان می دهد. برای مطالعه فرآیند اختلاط از دو سیال با غلظت های مختلف
در ورودی استفاده می شود.

هنگامی که میدان الکتریکی اعمال نمی شود، جریان آرام است و ضریب انتشار بسیار کوچک است، بنابراین دو سیال به خوبی در خروجی از هم جدا می شوند.

هنگامی که میدان الکتریکی متناوب اعمال می شود، به دلیل چرخش های متناوب در جریان، اختلاط به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

نتیجه گیری و گام های بعدی

این پست وبلاگ به طور خلاصه جریان الکترواسموتیک و مفهوم لایه دوگانه الکتریکی را توضیح می دهد. شما همچنین یاد گرفتید که چگونه این نوع مشکل را در محیط COMSOL مدل کنید. اگر اطلاعات بیشتری در مورد مدل میکرومیکسر الکترواسموتیک می خواهید ، می توانید مستندات مدل و مدل را از گالری مدل ما دانلود کنید . می‌توانید یک نمای کلی از قابلیت‌های مدل‌سازی میکروسیالات COMSOL را در اینجا دریافت کنید ، یا برای اطلاعات بیشتر در مورد نحوه استفاده از COMSOL Multiphysics برای مدل‌سازی انواع برنامه‌ها با ما تماس بگیرید .

در نهایت، فراموش نکنید که COMSOL یک نرم‌افزار چندفیزیکی است که به شما امکان می‌دهد فیزیک دیده‌شده در این مدل را با سایر فیزیک‌ها مرتبط کنید. برای مثال، افزودن فیزیک ردیابی ذرات به شما امکان می دهد پدیده های الکتروکینتیکی مانند الکتروفورز و دی الکتروفورز را مدل کنید.