Экспериментальное исследование выпрямления электрического тока в жидкостных микродиодах на основе электрокинетической неустойчивости

  • Франц Е.А. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
  • Шиффбауэр Д. Технион - Израильский технологический институт, Хайфа, Израиль
  • Демёхин Е.А. Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия
УДК: 532, 537.2, 537.36

Аннотация

Экспериментально реализована новая идея выпрямления тока в микромасштабах, которая заключается в использовании комбинированной асимметрии потока ионов в зависимости от направления, а именно геометрической асимметрии и асимметрии, вызванной электрокинетической неустойчивостью. Прибор представляет собой макро- и микроканал, разделённые полупроницаемой электрической мембраной. Для изготовления устройства использован стандартный метод фотолитографии; эксперименты проведены в частотном диапазоне 1-10 Гц, сила тока до 20 мкA. Приложенное напряжение менялось вплоть до 1000 В. При напряжениях порядка 700 В были зафиксированы нерегулярные колебания тока (порядка 1%), при которых качество выпрямления тока резко возрастало. Авторы связывают это явление с возникновением микровихрей в макроканале вследствие электрокинетической неустойчивости и их отсутствием в микроканале, что дает дополнительную асимметрию системе по отношению к направлению потока ионов, приводящую к лучшему выпрямляющему эффекту.

Ключевые слова: микродиод, жидкостное выпрямление тока, электрокинетическая неустойчивость, фотолитография, полупроницаемая мембрана, геометрическая асимметрия, электролит

Информация об авторах

Елизавета Александровна Франц
магистрант кафедры математического моделирования Кубанского государственного университета
e-mail: gandizel@mail.ru
Джаррод Шиффбауэр
д-р физ.-мат. наук, научный сотрудник лаборатории микро- и нанодлюидики, Технион - Израильский технологический институт
e-mail: jarrod.schiffbauer@gmail.com
Евгений Афанасьевич Демёхин
д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры вычислительной математики и информатики Кубанского государственного университета
e-mail: edemekhi@gmail.com

Литература

  1. Nguyen N.T., Wereley S.T. Fundamentals and applications of microfluidics. Boston, Artech House. 2006. 520 p.
  2. Cheng L-J., Guo L-J. Nanofluidic diodes // Chem. Soc. Rev. 2010. Vol. 39. P. 923-938.
  3. Vlassiouk I., Siwy Z.S. Nanofluidic diode // Nano Lett. 2007. Vol. 7. P. 552-556.
  4. Karnik R., Duan C., Castelino K., Daiguji A., Majumdar A. Rectification of Ionic Current in a Nanofluidic Diode // Nano Lett. 2007. Vol. 7. No 3. P. 547-551.
  5. Siwy Z. Ion-Current Rectification in Nanopores and Nanotubes with Broken Symmetry // Adv. Funct. Mater. 2006. Vol. 16. P. 735-746.
  6. Wei Ch., Bard A.J., Mirkin M.V. Scanning Electrochemical Microscopy. Application of SECM to the study of charge transfer processes at the liquid/liquid Interface // Phys. Chem. 1995. Vol. 99. No 43. P. 16033-16042.
  7. Daiguji H., Oka Y., Shirono K. Nanofluidic Diode and Bipolar Transistor // Nano Lett. 2005. Vol. 5. P. 2274-2280.
  8. Chang, H.-C., Yossifon, G. Understanding electrokinetics at the nanoscale: A perspective // Biomicrofluidics. 2009. Vol. 3. P. 012001-012016.
  9. Yossifon G., Chang H.-C. Selection of Nonequilibrium Overlimiting Currents: Universal Depletion Layer Formation Dynamics and Vortex Instability // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101. P. 254501-254505.
  10. Демёхин Е. А., Барышев М. Г., Ганченко Г.С., Горбачёва Е.В. Об одном принципе выпрямления тока в микромасштабах // Прикладная механика и техническая физика. 2014. № 5. С. 21-27.
  11. Демёхин Е.А., Барышев М.Г., Горбачева Е.В., Франц Е.А. К теории жидкостного микродиода // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2013. № 3. C. 31-37.
  12. Chang H.-C., Yossifon G., Demekhin E.A. Nanoscale Electrokinetics and Microvortices: How Microhydrodynamics Affects Nanofluidic Ion Flux // Annu. Rev. Fluid Mech. 2012. Vol. 44. P. 401-426.
  13. Zaltzman B., Rubinstein I. Electroosmotic slip and electroconvective instability // J. Fluid Mech. 2007. Vol. 579. P. 173-226.
  14. Belova E.I., Lopatkova G.Y., Pismenskaya N.D., Nikonenko V.V., Larchet C., Pourcelly G. Effect of anion-exchange membrane surface properties on mechanisms of overlimiting mass transfer // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. No. 27. P. 13458-13469.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке РФФИ (13-08-96536_р_юг_а, 14-08-00789 А, 14-08-01171 А).

Выпуск
Страницы
69-74
Прислано
2014-05-30
Опубликовано
2014-09-29

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)