التناضح الكهربائي

في الكيمياء ، التدفق الكهروستازمي ( EOF ، شرطية اختيارية؛ مرادف للتناضح الكهربائي أو التناضح الكهربائي الداخلي ) هو حركة السائل المستحثة بواسطة جهد مطبق عبر مادة مسامية أو أنبوب شعري أو غشاء أو قناة دقيقة أو أي مجرى مائع آخر. نظرًا لأن السرعات الكهروستازمية مستقلة عن حجم المجرى، طالما أن الطبقة المزدوجة الكهربائية أصغر بكثير من مقياس الطول المميز للقناة، فإن التدفق الكهروستازمي سيكون له تأثير ضئيل. يكون التدفق الكهروستازمي أكثر أهمية عندما يكون في قنوات صغيرة، وهو مكون أساسي في تقنيات الفصل الكيميائي، ولا سيما الرحلان الكهربائي الشعري . يمكن أن يحدث التدفق الكهروستازمي في الماء الطبيعي غير المصفى، وكذلك المحاليل العازلة .

تم الإبلاغ عن التدفق الكهروأسموزي لأول مرة في عام 1807 بواسطة فرديناند فريدريش رويس (18 فبراير 1778 (توبنغن، ألمانيا) - 14 أبريل 1852 (شتوتغارت، ألمانيا)) ^[1] في محاضرة غير منشورة أمام الجمعية الطبية الفيزيائية في موسكو؛ ^[2] نشر رويس لأول مرة وصفًا للتدفق الكهروأسموزي في عام 1809 في مذكرات الجمعية الإمبراطورية لعلماء الطبيعة في موسكو . ^{[3] [4]} أظهر أنه يمكن جعل الماء يتدفق عبر سدادة من الطين عن طريق تطبيق جهد كهربائي. يتكون الطين من جزيئات متراصة من السيليكا ومعادن أخرى، ويتدفق الماء عبر المساحات الضيقة بين هذه الجزيئات تمامًا كما يحدث عبر أنبوب زجاجي ضيق. أي مزيج من الإلكتروليت ( سائل يحتوي على أيونات مذابة) ومادة صلبة عازلة من شأنه أن يولد تدفقًا كهروأسموزيًا، على الرغم من أن التأثير يكون كبيرًا بشكل خاص بالنسبة للماء / السيليكا . ومع ذلك، فإن سرعة التدفق عادة ما تكون بضعة ملليمترات في الثانية فقط.

تم اكتشاف التناضح الكهربائي بشكل مستقل في عام 1814 من قبل الكيميائي الإنجليزي روبرت بوريت جونيور (1783-1868). ^{[5] [6]}

يحدث التدفق الكهروسماتي بسبب قوة كولومب المستحثة بواسطة مجال كهربائي على شحنة كهربائية متحركة صافية في محلول. ولأن التوازن الكيميائي بين سطح صلب ومحلول إلكتروليت يؤدي عادةً إلى اكتساب الواجهة شحنة كهربائية ثابتة صافية، فإن طبقة من الأيونات المتحركة، تُعرف باسم الطبقة المزدوجة الكهربائية أو طبقة ديباي، تتشكل في المنطقة القريبة من الواجهة. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على السائل (عادةً عبر أقطاب كهربائية موضوعة عند مداخل ومخارج)، يتم تحريض الشحنة الصافية في الطبقة المزدوجة الكهربائية على التحرك بواسطة قوة كولومب الناتجة. يُطلق على التدفق الناتج اسم التدفق الكهروسماتي.

التدفق الناتج عن تطبيق الجهد هو تدفق القابس . وعلى عكس تدفق الملف المكافئ الناتج عن فرق الضغط، فإن ملف تعريف سرعة تدفق القابس يكون مستويًا تقريبًا، مع اختلاف طفيف بالقرب من الطبقة المزدوجة الكهربائية. وهذا يوفر تأثيرات تشتتية أقل ضررًا بشكل كبير ويمكن التحكم فيه بدون صمامات، مما يوفر طريقة عالية الأداء لفصل السوائل، على الرغم من أن العديد من العوامل المعقدة تثبت أن هذا التحكم صعب. ونظرًا لصعوبة قياس ومراقبة التدفق في القنوات الدقيقة، مما يؤدي في المقام الأول إلى تعطيل نمط التدفق، يتم إجراء معظم التحليل من خلال الأساليب العددية والمحاكاة. ^[7]

يمكن نمذجة التدفق الكهروسماتي عبر القنوات الدقيقة وفقًا لمعادلة نافير-ستوكس مع القوة الدافعة المستمدة من المجال الكهربائي والفرق في الضغط. وبالتالي يتم التحكم فيه بواسطة معادلة الاستمرارية

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {U} =0}$

والزخم​

${\displaystyle \rho {\frac {D\mathbf {U} }{Dt}}=-\nabla p+\mu \nabla ^{2}\mathbf {U} +\rho _{e}\nabla \left( \psi +\phi \يمين)،}$

حيث U هو متجه السرعة، ρ هي كثافة السائل، هي المشتقة المادية ، μ هي لزوجة السائل، ρ _e هي كثافة الشحنة الكهربائية، ϕ هو المجال الكهربائي المطبق، ψ هو المجال الكهربائي بسبب جهد زيتا عند الجدران و p هو ضغط السائل. ${\displaystyle D/Dt}$

يمكن لمعادلة لابلاس وصف المجال الكهربائي الخارجي

${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0,}$

في حين أن الإمكانات داخل الطبقة المزدوجة الكهربائية يتم التحكم فيها بواسطة

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi ={\frac {-\rho _{e}}{\epsilon \epsilon _{0}}},}$

حيث ε هو الثابت العازل لمحلول الإلكتروليت و ε ₀ هي نفاذية الفراغ . يمكن تبسيط هذه المعادلة بشكل أكبر باستخدام تقريب ديباي-هوكل

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi =k^{2}\psi ,}$

حيث 1 / k هو طول ديباي ، والذي يستخدم لوصف السُمك المميز للطبقة المزدوجة الكهربائية. يمكن دمج معادلات المجال المحتمل داخل الطبقة المزدوجة على النحو التالي:

${\displaystyle \rho _{e}=-\epsilon \epsilon _{0}k^{2}\psi .}$

يمكن نمذجة نقل الأيونات في الفضاء باستخدام معادلة نيرنست-بلانك : ^[8]

${\displaystyle {\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla cc{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]}$

حيث هو تركيز الأيونات، هو جهد المتجه المغناطيسي ، هو انتشار الأنواع الكيميائية، هو تكافؤ الأنواع الأيونية، هو الشحنة الأولية ، هو ثابت بولتزمان ، و هي درجة الحرارة المطلقة . ${\displaystyle \c}$${\displaystyle {\bf {A}}}$${\displaystyle D}$${\displaystyle z}$${\displaystyle e}$${\displaystyle k_{\text{B}}}$${\displaystyle T}$

يُستخدم التدفق الكهروسماتي بشكل شائع في الأجهزة الدقيقة ^{[9] [10]} وتحليل التربة ومعالجتها ^[11] والتحليل الكيميائي، ^[12] وكلها تنطوي بشكل روتيني على أنظمة ذات أسطح مشحونة للغاية، غالبًا من الأكاسيد . أحد الأمثلة على ذلك هو الرحلان الكهربائي الشعري ، ^{[10] [12]} حيث تُستخدم المجالات الكهربائية لفصل المواد الكيميائية وفقًا لحركتها الكهربية عن طريق تطبيق مجال كهربائي على شعيرية ضيقة، مصنوعة عادةً من السيليكا . في عمليات الفصل الكهربي، يؤثر التدفق الكهروسماتي على وقت إفلات المحللات.

يتم تشغيل التدفق الكهروستاتيكي في FlowFET للتحكم إلكترونيًا في تدفق السوائل عبر الوصلة.

من المتوقع أن يكون للأجهزة الدقيقة الموائعية التي تستخدم التدفق الكهروسماتي تطبيقات في البحث الطبي. بمجرد فهم التحكم في هذا التدفق وتنفيذه بشكل أفضل، فإن القدرة على فصل السوائل على المستوى الذري ستكون مكونًا حيويًا لمفرغات الأدوية. ^[13] يعد خلط السوائل على النطاق الصغير أمرًا مزعجًا حاليًا. يُعتقد أن التحكم الكهربائي في السوائل سيكون الطريقة التي يتم بها خلط السوائل الصغيرة. ^[13]

من الاستخدامات المثيرة للجدل للأنظمة الكهروستاتيكية التحكم في الرطوبة المتصاعدة في جدران المباني. ^[14] وفي حين لا يوجد دليل يذكر يشير إلى أن هذه الأنظمة يمكن أن تكون مفيدة في نقل الأملاح في الجدران، يُزعم أن مثل هذه الأنظمة فعالة بشكل خاص في الهياكل ذات الجدران السميكة للغاية. ومع ذلك، يزعم البعض أنه لا يوجد أساس علمي لهذه الأنظمة، ويستشهدون بعدة أمثلة لفشلها. ^[15]

يمكن أيضًا استخدام التناضح الكهربائي في المسام ذاتية الضخ التي تعمل بالتفاعلات الكيميائية بدلاً من المجالات الكهربائية. وقد تم إثبات هذا النهج، باستخدام H ₂ O ₂ ^[16] وتمت نمذجته باستخدام معادلات نيرنست-بلانك-ستوكس. ^[8]

في خلايا الوقود ، يتسبب التناضح الكهربائي في تحرك البروتونات عبر غشاء تبادل البروتون (PEM) لسحب جزيئات الماء من جانب واحد ( الأنود ) إلى الجانب الآخر ( الكاثود ).

في علم الأحياء النباتية الوعائية، تُستخدم التناضح الكهربائي أيضًا كتفسير بديل أو تكميلي لحركة السوائل القطبية عبر اللحاء والتي تختلف عن نظرية التماسك والتوتر المقدمة في فرضية تدفق الكتلة وغيرها، مثل التدفق السيتوبلازمي . ^[17] تشارك الخلايا المصاحبة في السحب "الدوري" للأيونات (K ⁺ ) من أنابيب الغربال، وإفرازها بالتوازي مع موضع سحبها بين صفائح الغربال، مما يؤدي إلى استقطاب عناصر صفائح الغربال جنبًا إلى جنب مع فرق الجهد في الضغط، وينتج عن ذلك جزيئات الماء القطبية والمواد المذابة الأخرى الموجودة تتحرك لأعلى عبر اللحاء. ^[17]

في عام 2003، قام خريجو جامعة سانت بطرسبرغ بتطبيق تيار كهربائي مباشر على شرائح 10 مم من براعم الذرة المتوسطة الحجم إلى جانب براعم الزيزفون التي يبلغ عمرها عامًا واحدًا؛ تحركت المحاليل الكهرلية الموجودة في الأنسجة نحو الكاثود الموجود في مكانه، مما يشير إلى أن التناضح الكهربائي قد يلعب دورًا في نقل المحلول عبر أنسجة النباتات الموصلة. ^[18]

يتطلب الحفاظ على المجال الكهربائي في الإلكتروليت حدوث تفاعلات فارادية عند الأنود والكاثود. وهذا عادة ما يكون تحليلًا كهربائيًا للماء ، والذي يولد بيروكسيد الهيدروجين وأيونات الهيدروجين ( حمض) وهيدروكسيد (قاعدة) بالإضافة إلى فقاعات غاز الأكسجين والهيدروجين . يمكن أن تؤثر تغييرات بيروكسيد الهيدروجين و/أو الرقم الهيدروجيني الناتجة سلبًا على الخلايا البيولوجية والجزيئات الحيوية مثل البروتينات، بينما تميل فقاعات الغاز إلى "سد" أنظمة الميكروفلويديك . يمكن التخفيف من هذه المشاكل باستخدام مواد أقطاب كهربائية بديلة مثل البوليمرات المترافقة التي يمكن أن تخضع لتفاعلات فارادية نفسها، مما يقلل بشكل كبير من التحليل الكهربائي. ^[19]

• شحنة سطحية
• التحليل الكهربائي الشعري
• طبقة كهربائية مزدوجة
• البث الحالي
• حركية كهربائية للشحنة المستحثة
• إمكانية البث
• جهد زيتا
• مضخة كهربائية تناضحية
• طبقة كهربائية مزدوجة
• الميكروفلويديك
• الكيمياء الكهربائية

• بيل، ف. ج. (2000). الخصائص الهندسية للتربة والصخور، الطبعة الرابعة .
• تشانج، إتش سي؛ ياو، إل. (2009). الموائع الدقيقة والنانوية المدفوعة بالكهرباء الحركية .
• ليفيتش، ف. (1962). الهيدروديناميكية الفيزيائية والكيميائية . منشورات أدفانس. رقم ISBN 978-0-903012-40-9.
• بروبشتاين، آر إف (2003). الديناميكا المائية الفيزيائية والكيميائية: مقدمة، الطبعة الثانية .