Картинка — youtube-канал GaudiLabs, University of Cincinnati, Etulipa, Image Sensors World

Существует весьма любопытный эффект, который в данный момент уже применяется во множестве направлений, и суть его заключается в изменении взаимодействия жидкости с поверхностью вследствие приложенной разницы потенциалов между жидкостью и поверхностью.

Сфера применения этого эффекта весьма широка и позволяет использовать его как профессиональных целей, так и для разнообразных самоделок.

Сущность эффекта

Если попытаться дать краткую характеристику этому эффекту, то он заключается в том, что меняется степень смачивания жидкостью поверхности, если жидкость находится на непроводящей ток поверхности. При этом один из электродов соединён с жидкостью, а другой — с токопроводящей поверхностью, расположенной под изолятором:

Картинка: Juan Ignacio Polanco, wikipedia.org

Таким образом, мы видим, что образуется своего рода конденсатор, где в качестве одной из обкладок выступает поверхность, а в качестве другой — жидкость.

Для проведения таких опытов обычно используют в качестве изолятора гидрофобную (то есть специальную водоотталкивающую) поверхность, чтобы после отключения напряжения жидкость снова могла собраться воедино с поверхности, и остаточные эффекты смачивания поверхности (после отключения питания) были минимальны.

Электросмачивание называют ещё «эффектом изменения угла контакта между жидкостью и поверхностью», что хорошо видно в следующем опыте:

Картинка: youtube-канал «Florian Lapierre»

При этом, насколько я понимаю, так как питание идёт с достаточно большой частотой в 1 кГц, капля не успевает растечься на достаточно большую площадь — у неё просто на это нет времени (только начала растекаться, а питание уже выключили; только начала собираться, а питание уже включили). Её размер при включённом питании представляет собой некий компромисс между силами, собирающими её воедино (при выключении), и силами, заставляющими её растечься (при включении).

Другими словами, можно управлять степенью растекания капли, подавая ШИМ-питание, изменяя степень заполнения ШИМ.

Разноимённые заряды притягиваются друг к другу, поэтому если одна из поверхностей является подвижной (жидкой), то она стремится максимизировать площадь контакта (то есть минимизировать расстояние) до другой заряженной поверхности.

Насколько мне удалось понять (научное объяснение достаточно мудрёное и многословное — ниже я написал в достаточно простом изложении, специально упростив для понимания), одним из механизмов проявления этого называют, в частности, некий баланс сил между краевым полем, возникающим на относительно острых гранях жидкости в месте контакта с изолирующей поверхностью и силами поверхностного натяжения.

Таким образом, изменяя величину разности потенциалов (то есть прикладывая большее напряжение) мы увеличиваем силу краевого поля, которое стремится растянуть каплю по поверхности. И чем эта сила больше, тем она эффективнее борется с силами поверхностного натяжения и капля растягивается на всё большую площадь (разумеется, в пределах нижнего электрода).

Надеюсь, прочитавшие физики смогут прояснить этот момент более подробно, но это то, как мне удалось понять физику процесса на данный момент, если попытаться изложить её по-простому.

Также для жидкостей существует определённый предел напряжения насыщения, и поднятие напряжения выше этого предела не даст результатов.

Конкретную раскладку с напряжениями для определённых жидкостей мне найти не удалось, поэтому, видимо, тем, кто будет строить устройство на этом эффекте, придётся экспериментировать самостоятельно с подбором нужного напряжения для выбранной жидкости. Тем не менее, ниже будет некоторая информация по напряжению, что позволит задать ориентиры для понимания.

Несмотря на то, что в теории постоянное увеличение напряжения должно привести к уменьшению угла контакта вплоть до нуля градусов, на практике такое уменьшение угла возможно только вплоть до примерно 60°-70°, как описано в научном труде вот здесь (тем не менее, даже этого более чем достаточно для множества практических применений, что мы и увидим далее).

Оттуда же мы можем узнать, что учёные протестировали целый ряд потенциально влияющих на насыщение компонентов, например, таких как:

• толщина диэлектрика, его тип;
• тип электролита, в частности, тип растворителя в электролите (то есть учёными проверялся тип ионов в жидкости в ходе поиска наиболее подходящих для преодоления предела насыщения);
• величина напряжения питания;
• постоянное или переменное напряжение (с увеличением на 2В каждые 2с);
• величина pH электролита;
• величина поверхностного натяжения.

Результаты несколько варьировались, и вы можете с ними более подробно ознакомиться по ссылке на научную работу, упомянутую выше, а также ознакомиться с приложенными графиками, где можно видеть, как меняется угол в зависимости от изменяющегося фактора (типа электролита, толщины диэлектрика и т. д.), по мере подъёма напряжения.

Тем не менее, как отмечают сами учёные, несмотря на множество проверенных факторов и некоторые их колебания, для постоянного тока минимально достижимая величина угла, при котором возникает насыщение, находится в пределах указанных выше 60°-70° и не зависит от множества изменяющихся переменных. Как они сами там отмечают, поиск факторов ещё не завершён и вопрос требует дальнейших исследований, но пока ситуация такая.

Практические реализации устройств

С использованием описанного эффекта может быть создано множество устройств.

Однако следует отметить, что выше мы рассматривали вариант, где питание к жидкости подводится с помощью отдельного электрода в виде провода.

Тем не менее, на практике зачастую используется другой вариант, где в качестве этого электрода применяется не собственно провод, а прозрачное стекло с покрытием из оксида индия-олова, которое обладает хорошей электропроводностью и высокой оптической прозрачностью, что позволяет наносить его тонким слоем в виде плёнки прямо на стекло (кстати говоря, если кому интересно, то таких стёкол полным-полно на Алиэкспресс).

Это означает, что в случае большинства устройств с практической реализацией эффекта электросмачивания происходит манипулирование (физическое перемещение) жидкостями, запертыми в промежутке между таким прозрачным токопроводящим стеклом сверху и изолирующей гидрофобной подложкой снизу таким образом, чтобы капля одновременно касалась и токопроводящего слоя прозрачного стекла (сверху), и гидрофобной подложки (снизу). А уже под гидрофобной подложкой и расположен второй электрод или массив электродов.

Любопытно: ниже мы увидим, что в самых массовых применениях токопроводящий слой ещё покрыт гидрофобным полимером на базе фторопласта, то есть электрод непосредственно не касается жидкости; тем не менее, всё работает!

Видимо, имеют место какие-то эффекты диэлектрической проводимости — по крайней мере, когда я изучал свойства этой гидрофобной изоляции, у неё есть такая характеристика, как «диэлектрическая проводимость при 100 МГц», так что, похоже, тут я прав…

▍ Медицинские и не только микрофлюидные манипуляторы

Такой подход широко используется, в частности, в медицине, где с применением этого эффекта создают так называемые «микрофлюидные» устройства, представляющие собой плоские миниатюрные системы, которые могут быть выполнены в том числе в виде впаянных в плату чипов, содержащих все необходимые реактивы для проведения оперативных медицинских исследований на болезни, загрязнения воздуха, генетические отклонения и т. д. Стоимость такого микрочипа получается очень маленькой, а оперативность проведения исследований — очень большой.

Внутри таких устройств как раз и происходит манипулирование жидкостями, под которым понимается физическое перемещение из резервуара в резервуар, перемешивание, разделение и последующий анализ (ниже мы увидим, как выглядят на практике некоторые физические манипуляции в этом процессе).

Одним из любопытных производителей подобных устройств (только несколько большего размера), является компания GaudiLabs, интересная тем, что разработала свою версию подобного манипулятора жидкостями (с открытым исходным кодом) специально для исследователей и поделилась техническими тонкостями его реализации на сайте проекта, а управляющие прошивки, файлы печатных плат и корпусных деталей выложила на GitHub.

Итак, что представляет собой такой манипулятор? Это модульное устройство, содержащее материнскую плату, куда вставляется специальный картридж (который и проводит все манипуляции с жидкостями):

Картинка: gaudi.ch

Картинка: gaudi.ch

Картридж устроен следующим образом:

Картинка: gaudi.ch

Как мы видим, наверху картридж содержит внешнее защитное стекло, под ним — прижимную рамку, которая прижимает токопроводящее прозрачное стекло из оксида индия-олова (ITO Glass) к гидрофобному покрытию, которое защищает массив электродов.

Примечание: кстати, что я лично не смог понять (возможно, вам это удастся лучше) — как они сделали зазор между ITO-стеклом и гидрофобным покрытием? Полагаю, что они туда наклеили тоже какую-то плёночку по периметру, чтобы несколько приподнять ITO-стекло от гидрофобной плёнки...

Тем не менее, зазор там есть, и, как заявляется, составляет 240 мкм.

Ещё один любопытный момент заключается в том, что они покрыли водоотталкивающим покрытием не только нижнюю плёнку, но и верхнее ITO-стекло (об этом я уже говорил выше; то есть получается, что капля жидкости не касается проводящего слоя). В качестве такого покрытия использовали специальный фторполимер.

В качестве нижней водоотталкивающей плёнки используется также фторопластовая плёнка ETFE толщиной 15 мкм.

Устройство содержит 128 позолоченных электродных площадок (2,75 х 2,75 мм) с индивидуальным управлением каждая, а также четыре ёмкости (объёмом 12 мл каждая) под резервуары для реактивов. Зазор между электродами составляет 0,0254 мм.

Питание электродов осуществляется с помощью повышающего преобразователя, допускающего плавное изменение выходного напряжения, питание которого берётся от USB-разъёма.

Этот преобразователь обеспечивает необходимое напряжение питания для контактов в 160-300В с частотой в 1 кГц (возможно, не «в», а «до» — по официальному описанию непонятно, надо разбираться глубже).

Всё это позволяет манипулировать каплями жидкости объёмом в 2 мкл с достаточно большой скоростью (будет показано далее).

Картридж подключается к плате с помощью 244-контактного DIMM-коннектора:

Картинка: gaudi.ch

Управление системой осуществляется с помощью 32-битного процессора AVR SAMD21G18.

Ещё из интересного: там же, на одной из страниц проекта можно найти и полную электрическую схему устройства (кликабельно):

Картинка: gaudi.ch

Правда она там в плохом качестве, но хорошего качества схему можно найти в pdf вот здесь.

Теперь, когда мы познакомились с этим устройством, посмотрим визуально, что оно может.

Для начала тест скорости (спойлер: максимально достигнутая скорость — 80 мм/сек):

Полифонический синтезатор устройства в прошлом ролике сразу наталкивает на мысль: а нельзя ли на этом устройстве сыграть в игру?!

Кто сказал «нельзя»? Вполне себе можно:

А следующее видео будет ещё интересней:

• с 0:38 — как происходит изменение формы объектов во время движения;
• с 2:27 — видим, что можно перемещать даже пустую зону внутри залитой жидкостью зоны;
• с 3:45 — как перемещать физический объект с помощью капли жидкости.

Лично у меня при просмотре этого видео появилась одна мысль: а ведь можно собрать на основе этого принципа жидкостный Тетрис!

Вот это был бы действительно очень достойный проект для самодельщика — где, например, одна большая капля жидкости расположена наверху, из которой выделяются капли разной формы, и падают вниз, сливаясь (в случае удачи) или не сливаясь, как в настоящим тетрисе! О_о Никто не хочет поломать голову над таким проектом? ;-)

Или, не менее недурно: часы! Прямоугольное поле, где квадратики жидкости перемещаются и сливаются в цифры (а-ля «электронные часы»). Или, скажем, часы с двигающимися жидкостными стрелками и жидкостными же цифрами! (Но тетрис, на мой взгляд, это всё же «просто топ» :-) )

Но понятно, что это всё забавы… А вот для чего используются такие штуки в реальных проектах? Ниже показана манипуляция с образцами крови с использованием подобного устройства (в том числе там видно, как происходит смешивание образцов):

Или, вот ещё серьёзнее — одновременный анализ крови для 40 новорождённых младенцев (время проведения анализа — 4 часа):

Ниже можно увидеть, как происходят основные операции с каплей: разделение, перемещение, смешивание, слияние:

И показано на примере операции разделения, как должны переключаться ячейки:

▍ Жидкостные пиксели

Такой интересный эффект может применяться не только в жидкостных манипуляторах для целей медицины или игр — одна из компаний разработала так называемые рефлективные дисплеи, устроенные таким образом, что пиксель представляет собой яркую отражающую подложку из металлической фольги, которая может перекрываться каплей жидкости, в нужный момент растекающейся по поверхности этой отражающей подложки и тонирующей её в какой-то цвет.

При этом в состоянии покоя, когда с пикселя снято питающее напряжение, капля жидкости быстро собирается в центре пикселя в специально предназначенном для этого резервуаре (но, у меня, конечно, есть подозрение, что там не снимается питание, а включается какой-то реверс либо, пиксель устроен как-то несколько сложнее — слишком подозрительно быстро срабатывает; в любом случае, более полной информации не удалось найти):

С применением такой технологии можно создавать большие дисплеи с очень низким энергопотреблением (порядка 7 ):

▍ Оптические системы

Ещё одно любопытное применение такой технологии — жидкие линзы с электрическим управлением, не содержащие никаких физически движущихся частей.

При этом, насколько можно понять по описанию такой системы, капля масла находится в жидком электролите и меняет свою форму:

Ещё один интересный способ использования технологии — в системе отклонения лазерного луча, где отклоняющее зеркальце перемещается с помощью эффекта электросмачивания:

Это экспериментальный проект для создания адаптивной системы отклонения и точного управления оптическими лучами для создания более совершенных приводов, по сравнению с ныне существующими, механическими. Больше подробностей можно узнать здесь.

▍ Другие применения

Было бы странно, если бы самодельщики не попытались как-то применить этот эффект — в сети есть как минимум два варианта часов, использующих его.

В варианте, показанном ниже, используется в качестве электродов два ITO-стекла: переднее монолитное, а заднее — с уничтоженным лазерной гравировкой ITO-покрытием, таким образом, чтобы оставшееся покрытие стало представлять собой расходящиеся из центра 60 электродов в виде пунктирных колец.

В качестве движущейся жидкости используется моноэтиленгликоль, а чтобы капли не сваливались в стороны и удерживались на своих траекториях, на переднее стекло нанесены столбики из прозрачной эпоксидной смолы — они как бы поддерживают жидкость во время движения, а её поверхностное натяжение не даёт ей сильно расплываться, насколько я понимаю:

Из интересного: чтобы капли не испарялись со временем, разработчик заполнил всё пространство между стёклами силиконовым маслом, так что красный моноэтиленгликоль движется в нём. Кроме того, оно служит ещё и как смазка. Больше подробностей можно почитать на странице проекта.

Итак, подытоживая, можно отметить, что применений для этого эффекта может быть множество, причём некоторые из них могут быть достаточно неожиданными.

Может быть, после прочтения и у вас появится своя идея, как можно было бы применить описанный эффект?

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?