vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 601 Научная статья Original article Статьи Article Экспериментальное исследование выпрямления электрического тока в жидкостных микродиодах на основе электрокинетической неустойчивости Experimental study of electric current rectification in liquid microdiodes on the basis of electrokinetic instability Франц Е.А. Франц Елизавета Александровна Frantz Elizaveta A. gandizel@mail.ru

магистрант кафедры математического моделирования Кубанского государственного университета

 Шиффбауэр Д. Шиффбауэр Джаррод Schiffbauer Jarrod jarrod.schiffbauer@gmail.com

д-р физ.-мат. наук, научный сотрудник лаборатории микро- и нанодлюидики, Технион - Израильский технологический институт

 Демёхин Е.А. Демёхин Евгений Афанасьевич Demekhin Evgeniy A. edemekhi@gmail.com

д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры вычислительной математики и информатики Кубанского государственного университета

 Кубанский государственный университет, КраснодарKuban State University, Krasnodar Технион - Израильский технологический институт, ХайфаTechnion - Israel Institute of Technology, Haifa 29 09 2014 3 69 74 30 05 2014 24 07 2014 29 09 2014 Copyright (c) 2014 Франц Е.А., Шиффбауэр Д., Демёхин Е.А. 2014 Франц Е.А., Шиффбауэр Д., Демёхин Е.А. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

One of the problems of the application of microfluidics is creation rectifying micro- or nanodevices, which rectify electric current. At the heart of known micro diodes laid the principle of asymmetry of a particular type. In this article experimentally implemented a new idea current rectification in microscales, which consists in use of combination asymmetry of the flow of ions, depending on the direction, namely, geometric asymmetry and asymmetry caused by electrokinetic instability. The device represents two channels: 2 cm macrochannel and 200 mkm microchannel, which separated by a semipermeable electric membrane. For production of the device the standard method of a photolithography is used. The liquid rectifier is connected to the high-voltage power supply by means of wire electrodes. The experiments are made in the frequency range of 1-10 Hz, current to 20 $\mu$A. The applied voltage is varied up to 1,000 V. The behavior of the current-voltage characteristics at a positive voltage is very close to linear, up to 100 V. At voltages of 700 V were fixed the irregular oscillations of the current (about 1%), at which the quality of rectification increased sharply. We explain this phenomenon of the emergence, because of electrokinetic instability of microvortices in macrochannel and their absence in the microchannel. This gives an additional asymmetry with respect to the direction of ion flow, which leads to a better rectifying effect

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.

 микродиод жидкостное выпрямление тока электрокинетическая неустойчивость фотолитография полупроницаемая мембрана геометрическая асимметрия электролит microdiode fluidic current rectification electrokinetic instability photolithography semipermeable membrane geometric asymmetry electrolyte Работа выполнена при поддержке РФФИ (13-08-96536_р_юг_а, 14-08-00789 А, 14-08-01171 А). Nguyen N.T., Wereley S.T. Fundamentals and applications of microfluidics. Boston, Artech House. 2006. 520 p. Cheng L-J., Guo L-J. Nanofluidic diodes // Chem. Soc. Rev. 2010. Vol. 39. P. 923-938. Vlassiouk I., Siwy Z.S. Nanofluidic diode // Nano Lett. 2007. Vol. 7. P. 552-556. 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. Siwy Z. Ion-Current Rectification in Nanopores and Nanotubes with Broken Symmetry // Adv. Funct. Mater. 2006. Vol. 16. P. 735-746. 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. Daiguji H., Oka Y., Shirono K. Nanofluidic Diode and Bipolar Transistor // Nano Lett. 2005. Vol. 5. P. 2274-2280. Chang, H.-C., Yossifon, G. Understanding electrokinetics at the nanoscale: A perspective // Biomicrofluidics. 2009. Vol. 3. P. 012001-012016. 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. 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. . Prikladnaja matematika i teoreticheskaja fizika , 2014, no. 5, pp. 21-27. (In Russian)] 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. . Jekologicheskij vestnik nauchnyh centrov Chernomorskogo jekonomicheskogo sotrudnichestva , 2013, no. 3, pp. 31-37. (In Russian)] 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. Zaltzman B., Rubinstein I. Electroosmotic slip and electroconvective instability // J. Fluid Mech. 2007. Vol. 579. P. 173-226. 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.