Electrospray

редактировать

Аппарат, использующий электричество для диспергирования жидкости в мелкодисперсный аэрозоль

Название электроспрей используется для устройства, которое использует электричество для диспергирования жидкости или для мелкодисперсного аэрозоля, образующегося в результате этого процесса. Высокое напряжение наносится на жидкость, подаваемую через эмиттер (обычно стеклянный или металлический капилляр). В идеале жидкость, достигающая наконечника эмиттера, образует конус Тейлора, который испускает струю жидкости через его вершину. на поверхности струи приводят к образованию мелких и сильно заряженных капель жидкости, которые радиально рассеиваются за счет кулоновского отталкивания.

Содержание

1 История
2 Механизм
- 2.1 Влияние малых электрических полей на жидкие мениски
- 2.2 Конус Тейлора
- 2.3 Развитие сингулярности
- 2.4 Замыкание электрической цепи
3 Применения
- 3.1 Ионизация электрораспылением
- 3.2 Источник ионов жидкого металла
- 3.3 Электроспиннинг
- 3.4 Коллоидные двигатели
- 3.5 Осаждение частиц для наноструктур
- 3.6 Осаждение ионов в качестве предшественников наночастиц и наноструктур
- 3.7 Изготовление носителей наркотиков
- 3.8 Очистители воздуха
4 См. Также
5 Ссылки

История

В конце 16 века Уильям Гилберт отправился в описывают поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что в присутствии заряженного кусочка янтаря капля воды деформировалась в конус. Этот эффект явно связан с электроспреями, хотя Гилберт не записал никаких наблюдений, связанных с диспергированием жидкости под действием электрического поля.

В 1750 году французский священнослужитель и физик Жан-Антуан (аббат) Нолле заметил, что вода, текущая с судна, будет аэрозольно, если судно будет электрифицировано и размещено рядом с электрической землей. Он также отметил, что аналогично «человек, наэлектризованный подключением к высоковольтному генератору, не стал бы кровоточить нормально, если бы порезался; кровь брызнула бы из раны».

В 1882 г., Лорд Рэлей теоретически оценил максимальное количество заряда, которое может нести капля жидкости; это теперь известно как «предел Рэлея». Его предсказание о том, что капля, достигающая этого предела, будет выбрасывать тонкие струи жидкости, было подтверждено экспериментально более чем 100 лет спустя.

В 1914 году Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости при конец стеклянных капилляров. В этом отчете представлены экспериментальные данные о нескольких режимах работы электроспрея (капельный, разрывной, пульсирующий и конусообразный). Несколько лет спустя Зеленый сделал первые покадровые снимки динамического жидкого мениска.

Между 1964 и 1969 годами сэр Джеффри Ингрэм Тейлор создал теоретические основы электрораспыления. Тейлор смоделировал форму конуса, образованного жидкой каплей под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора. Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели протекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей.

Механизм

Крупный план устройства для электрораспыления. Струя ионизированного распылителя видна на изображении.

Для упрощения обсуждения в следующих параграфах рассматривается случай положительного электроспрея с высоким напряжением, приложенным к металлическому эмиттеру. Рассмотрена классическая схема электрораспыления, в которой эмиттер расположен на расстоянии $d {\ displaystyle d \,}$ $d \,$ от заземленного противоэлектрода. Распыляемая жидкость характеризуется своей вязкостью $(μ) {\ displaystyle (\ mu) \,}$ $(\mu)\,$ , поверхностным натяжением $(γ) {\ displaystyle (\ gamma) \,}$ $(\gamma)\,$ , проводимость $(κ) {\ displaystyle (\ kappa) \,}$ $(\ kappa) \,$ и относительная диэлектрическая проницаемость $(ϵ r) {\ displaystyle (\ epsilon _ {r }) \,}$ $(\ epsilon_r) \,$ .

Воздействие малых электрических полей на мениски жидкости

Под действием поверхностного натяжения мениск жидкости принимает полусферическую форму на конце эмиттера. Приложение положительного напряжения $V {\ displaystyle V \,}$ $V \,$ вызовет электрическое поле:

E = 2 V r ln ⁡ (4 d / r) {\ displaystyle E = { 2V \ over r \ ln (4d / r)}}

E = {2V \ over r \ ln (4d / r)}

, где $r {\ displaystyle r \,}$ $r \,$ - радиус кривизны жидкости. Это поле приводит к поляризации жидкости: отрицательные / положительные носители заряда перемещаются к / от электрода, к которому приложено напряжение. При напряжениях ниже определенного порога жидкость быстро достигает новой равновесной геометрии с меньшим радиусом кривизны.

Конус Тейлора

Напряжение выше порогового значения втягивает жидкость в конус. Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор описал теоретическую форму этого конуса, исходя из предположений, что (1) поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в установившемся состоянии равновесия. Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальную симметрию и иметь зависимость $R 1/2 {\ displaystyle R ^ {1/2} \,}$ $R ^ {1/2} \,$ , чтобы сбалансировать поверхностное натяжение и производят конус. Решение этой проблемы:

V = V 0 + AR 1/2 P 1/2 (cos ⁡ θ 0) {\ displaystyle V = V_ {0} + AR ^ {1/2} P_ {1 / 2} (\ cos \ theta _ {0}) \,}

V = V_ {0} + AR ^ {{1/2}} P _ {{1/2}} (\ cos \ theta _ {0}) \,

где $V = V 0 {\ displaystyle V = V_ {0} \,}$ $V = V_ {0} \,$ (эквипотенциальная поверхность) существует в значение $θ 0 {\ displaystyle \ theta _ {0}}$ $\ theta _ { 0}$ (независимо от R), создающее эквипотенциальный конус. Магический угол, необходимый для $V = V 0 {\ displaystyle V = V_ {0} \,}$ $V = V_ {0} \,$ для всех R, является нулем полинома Лежандра порядка 1 / 2, $P 1/2 (соз ⁡ θ 0) {\ displaystyle P_ {1/2} (\ cos \ theta _ {0}) \,}$ $P _ {{1/2}} (\ cos \ theta _ {0}) \,$ . Есть только один ноль между 0 и $π {\ displaystyle \ pi \,}$ $\ pi \,$ при 130,7099 °, что является дополнением теперь известного угла Тейлора 49,3 °.

Развитие сингулярности

Вершина конического мениска не может стать бесконечно маленькой. Сингулярность развивается, когда время гидродинамической релаксации $τ H = μ r γ {\ displaystyle \ tau _ {H} = {\ mu r \ over \ gamma}}$ $\ tau_H = {\ mu r \ over \ gamma }$ становится больше заряда время релаксации $τ C = ϵ r ϵ 0 κ {\ displaystyle \ tau _ {C} = {\ epsilon _ {r} \ epsilon _ {0} \ over \ kappa }}$ $\ tau_C = {\ epsilon_r \ epsilon_0 \ over \ kappa}$ . Неопределенные символы обозначают характеристическую длину $(r) {\ displaystyle (r) \,}$ $(r)\,$ и диэлектрическую проницаемость вакуума $(ϵ 0) {\ displaystyle (\ epsilon _ {0}) \,}$ $(\ epsilon_0) \,$ . Из-за внутренней варикозной нестабильности заряженная струя жидкости, выброшенная через вершину конуса, разбивается на мелкие заряженные капли, которые радиально рассеиваются объемным зарядом.

Замыкание электрической цепи

Заряженная жидкость выбрасывается через вершину конуса и захватывается противоэлектродом в виде заряженных капель или положительных ионов. Чтобы уравновесить потерю заряда, избыточный отрицательный заряд нейтрализуется электрохимически на эмиттере. Несбалансированность между величиной заряда, генерируемого электрохимически, и величиной заряда, потерянного на вершине конуса, может привести к нескольким рабочим режимам электрораспыления. Для конусно-струйного электрораспыления потенциал на границе раздела металл / жидкость саморегулируется, генерируя такое же количество заряда, какое теряется через вершину конуса.

Применения

Ионизация электрораспылением

Электрораспыление стало широко использоваться в качестве источника ионизации для масс-спектрометрии после того, как группа Фенн успешно продемонстрировала его использование в качестве источника ионов для анализа больших биомолекул.

Источник ионов жидкого металла

A Источник ионов жидкого металла (LMIS) использует электрораспыление в сочетании с жидким металлом для образования ионов. Ионы образуются в результате полевого испарения на кончике конуса Тейлора. Ионы из LMIS используются в ионной имплантации и в приборах со сфокусированным ионным пучком.

Электроформование

Подобно стандартному электрораспылению, приложение высокого напряжения к раствору полимера может привести к образованию геометрии конуса-струи. Если струя превращается в очень тонкие волокна вместо того, чтобы разбиваться на мелкие капли, этот процесс известен как электроспиннинг .

Коллоидные двигатели

Электрораспыление используется в качестве малой тяги электродвигателя ракетные двигатели для управления спутниками, так как точно управляемый выброс частиц обеспечивает точную и эффективную тягу.

Осаждение частиц для наноструктур

Электрораспыление можно использовать в нанотехнологии, например, для осаждения отдельных частиц на поверхности. Это делается путем распыления коллоидов в среднем, содержащих только одну частицу на каплю. Растворитель испаряется, оставляя поток аэрозоля отдельных частиц желаемого типа. Ионизирующие свойства процесса не являются решающими для применения, но могут использоваться для электростатического осаждения частиц.

Осаждение ионов в качестве предшественников наночастиц и наноструктур

Вместо осаждения наночастиц наночастицы и наноструктуры также могут быть изготовлены на месте путем осаждения ионов металлов в желаемых местах. Электрохимическое восстановление ионов до атомов и сборка in situ считались механизмом формирования наноструктуры.

Изготовление носителей лекарств

Электрораспыление привлекло внимание в области доставки лекарств, и его использовали для изготовления носителей лекарств, включая полимерные микрочастицы, также используемые в иммунотерапии в качестве липоплексов, используемых для доставки нуклеиновой кислоты. Частицы лекарства субмикронного размера, созданные электрораспылением, обладают повышенной скоростью растворения, что увеличивает биодоступность за счет увеличенной площади поверхности. Таким образом, можно уменьшить побочные эффекты лекарств, поскольку для того же эффекта достаточно меньшей дозировки.

Очистители воздуха

Электрораспыление используется в некоторых очистителях воздуха. Взвешенные в воздухе частицы можно заряжать с помощью электроспрея аэрозоля, манипулировать ими с помощью электрического поля и собирать на заземленном электроде. Такой подход сводит к минимуму производство озона, которое характерно для других типов очистителей воздуха.

См. Также

Фокусировка потока