基于[bmim]NTF2離子液體的MHD驅(qū)動

左 艷，萬 靜，楊俊強，黃一夫，梁忠誠

(南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

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基于[bmim]NTF2離子液體的MHD驅(qū)動

左 艷，萬 靜，楊俊強，黃一夫，梁忠誠

(南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

針對離子液體在化學(xué)、物理領(lǐng)域較少現(xiàn)象，提出了離子液體可作為一種新型的流體材料應(yīng)用于微流控芯片。離子液體驅(qū)動方法是基于磁流體力學(xué)(MHD)原理，采用電磁場相互作用所產(chǎn)生的洛倫茲力，直接作用于流體以驅(qū)動流體前進的驅(qū)動方式。為了能對離子液體的驅(qū)動現(xiàn)象進行直觀的觀測和驗證，設(shè)計了電磁驅(qū)動下離子液體的流速測量實驗。實驗結(jié)果顯示，離子液體在0.4 T穩(wěn)恒磁場中，8 V直流電壓下流量為7.8 μL/s。對比實驗與理論結(jié)果，可知電磁場驅(qū)動下離子液體的運動規(guī)律，以此可促進離子液體在微流控技術(shù)和光電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

磁流體力學(xué)；離子液體；驅(qū)動；洛倫茲力；流速

ZUO Yan, WAN Jing, YANG Junqiang, HUANG Yifu, LIANG Zhongcheng

(School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046, China)

微流控學(xué)和微流控光學(xué)屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及了通信、生物工程和醫(yī)藥等[1]。一直以來，關(guān)于微流控芯片的研究主要集中于分離、檢測體系方面，其實對應(yīng)用于微流控芯片的新型材料的研究也較為重要。室溫離子液體(RTILs)是一類可調(diào)的、多用途的新興綠色材料[2-3]，與通常電解液相比具有一系列獨特優(yōu)點如高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口、熱與電化學(xué)穩(wěn)定性高等[4-6]。離子液體的驅(qū)動技術(shù)是其能否在微流控技術(shù)與光電子器件中應(yīng)用的關(guān)鍵，因此提出了基于離子液體的MHD驅(qū)動，具有無機械移動裝置、可雙向泵浦、功耗低等優(yōu)點，有利于其在光電子器件中應(yīng)用。離子液體不同于電解質(zhì)，關(guān)于其電化學(xué)性能仍存在諸多疑問，如離子液體在電磁場中是否能產(chǎn)生洛倫茲力；MHD驅(qū)動是否適合離子液體。所以從理論和實驗方面研究了離子液體的MHD驅(qū)動，分析離子液體的電化學(xué)性能及在電磁場中的流動規(guī)律。

1 離子液體驅(qū)動理論

離子液體在電磁場中受到洛倫茲力驅(qū)動而整體流動,離子液體與電磁場的相互作用[12]如圖1所示，其原理基于磁流體力學(xué)。離子液體中帶電離子在電場作用下定向運動，磁場對定向運動的陰陽離子產(chǎn)生洛倫茲力，電磁場對流體的作用可通過磁流體動力學(xué)控制方程來表示。

圖1 離子液體驅(qū)動原理圖

磁流體動力學(xué)控制方程可通過經(jīng)典的流體力學(xué)和電磁學(xué)計算，前者包括質(zhì)量連續(xù)方程和Navier-Stokes方程，后者包括Maxwell方程、電流連續(xù)性方程等。在微系統(tǒng)中流體流動規(guī)律與宏觀器件不同，流體的微流動可采用不可壓縮的無滑移邊界條件的N-S方程來描述[13]。實驗中的離子液體流速是mm/s量級，B=0.4 T～0.5 T，據(jù)此建立物理模型，方程簡化如下

(1)

▽·v=0

(2)

(3)

其中，J是電流密度；σ是電導(dǎo)率;E是電場強度；v是流體的速度；B是磁感應(yīng)強度；ρ是流體密度；P為壓強；η是黏度系數(shù)。

由泊肅葉定律可知，末端面與初始面的壓差ΔP

(4)

根據(jù)泊肅葉定律推導(dǎo)出矩形截面流道的流量Q表達式

(5)

根據(jù)式(4)用Matlab軟件仿真的常見5種離子液體的壓差和流道寬度W之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。通道寬度范圍是500～5 000 μm，T=298 K,Ve=5 V,B=0.5 T，電磁場有效作用區(qū)長度Le=20 mm，離子液體的電導(dǎo)率和粘度數(shù)據(jù)參考文獻[14]。在電壓5 V時，產(chǎn)生的壓差可達1～40 P，這樣的驅(qū)動力在微流控技術(shù)中已充足。從圖中可知[bmim]BF4和[bmim]NTF2有較高的驅(qū)動力，而[bmim]NTF2化學(xué)性質(zhì)相對更穩(wěn)定，且具有電導(dǎo)率高、較低黏度等優(yōu)點[15]，故文中選取[bmim]NTF2作為實驗材料。

圖2 5種離子液體壓差和流道寬度的關(guān)系

利用Fluent軟件基于磁流體力學(xué)及有限體積數(shù)值仿真法仿真的流場速度分布如圖3所示。其中，流體相對固定壁無滑動，重力作用忽略不計，設(shè)Ve=8 V,B=0.4 T，有效電磁驅(qū)動區(qū)長80 mm，微流道長20 cm，高4 mm，寬4 mm。流場橫截面速度分布圖顯示微通道的固定壁附近的流速迅速減小，而位于微通道中心較大區(qū)域流速穩(wěn)定且有最大值，因而可在流道中心區(qū)觀察其特征速率。

圖3 微通道內(nèi)流場橫截面速度分布曲線

2 測量實驗裝置

由于離子液體[bmim]NTF2和金屬產(chǎn)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，所以不選擇銅片和石墨電極，而是玻碳電極，在電壓較低時離子液體幾乎不與其發(fā)生氧化還原反應(yīng)。實驗設(shè)計的流道為矩形截面，兩個玻碳電極分別緊貼流道內(nèi)壁，電極為8 cm×0.4 cm，流道內(nèi)徑4 mm，總長276 mm。電極通過流道側(cè)壁中間的鉛棒與外電源線連接，永久強磁鐵(NdFeB)置于槽底部，如圖4(a)所示。通過仿真分析，驅(qū)動實驗可采用粒子示蹤法測量流速，粒子選擇的是微米級的空心玻璃珠。實驗測試觀察裝置主要有讀數(shù)顯微鏡、CCD攝像機、系統(tǒng)顯示器和圖像處理軟件。將CCD數(shù)字相機采集到的數(shù)字圖像信號進行保存、計算和傳輸?shù)接嬎銠C中的功能是通過圖像采集卡實現(xiàn)的，通過計算機圖像處理技術(shù)捕捉粒子流動現(xiàn)象。

圖4 離子液體MHD驅(qū)動流速測量裝置示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

實驗顯示僅幾伏的電壓也能驅(qū)動55 μL離子液體流動，在磁場為0.4 T、298 K溫度下，施加8 V DC電壓時捕捉到的粒子流動現(xiàn)象如圖5所示，多次測量可得出此時流量為7.8 μL·s-1。逐步增大電壓，當施加21 V DC電壓時流量132 μL·s-1。實驗還測得相同電壓不同電場時流體的流量，將測量數(shù)據(jù)繪制成曲線圖如圖6所示。隨著電壓的增大，流速不斷增大?？蓪⒘魉偾€分為3個不同區(qū)域：一區(qū)是電壓2～5 V時，流速處于一個緩慢而穩(wěn)定的區(qū)域；二區(qū)是5～10 V時，流速隨電壓線性變化的區(qū)域；三區(qū)是10～14 V時，流速急劇增加，不再是線性變化。當電壓高于14 V時，流速變得不穩(wěn)定，或快或慢，此時離子液體的化學(xué)性質(zhì)也逐漸變得不穩(wěn)定。原因可能是在電壓>14 V時離子液體部分分解，隨著分解產(chǎn)物逐漸累積，改變了離子液體的導(dǎo)電性，從而導(dǎo)致流速不穩(wěn)定。從圖6中還可得到電場相同時，流速隨磁場強度的增加而變化的規(guī)律，磁場強度越大，流速也相對越大。

圖5 離子液體[bmim]NTF2在8 V、0.4 T下驅(qū)動現(xiàn)象

圖6 不同磁場中[bmim]NTF2隨電壓變化的流量

將實驗、理論及仿真數(shù)據(jù)進行比較如圖7所示，實驗數(shù)據(jù)為15～25 s較穩(wěn)定態(tài)時測量的流速平均值?？煽闯龅碗妷簹馀葺^少時，仿真數(shù)據(jù)與實驗值較吻合，流量與外加電壓近似線性關(guān)系，但隨著電壓增大，氣泡越發(fā)豐富，這種線性關(guān)系被破壞，測量值比仿真數(shù)據(jù)小。這是因氣泡下不再是單一相，且氣泡的漂流與膨脹會阻礙流體流動，這種現(xiàn)象與電解液MHD驅(qū)動情形類似。從圖上還可看出，泊肅葉理論值和實驗數(shù)據(jù)差距較大，原因主要是泊肅葉定律的壓差阻力公式是一個近似值，不能完全反映分布在流道中的離子液體的流速。因此，泊肅葉定律并不適合離子液體MHD驅(qū)動研究。

圖7 理論仿真數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對比

實驗中還可觀察到，由于離子液體的黏性，投放的微粒不易成團，這有利于離子液體在微流控中的應(yīng)用。為了形成實驗對比，文中還對磷酸緩沖鹽(PBS)溶液進行了MHD實驗，通過PBS溶液流速實驗發(fā)現(xiàn)流速隨電壓也有類似規(guī)律，剛開始流速稍慢，隨著電壓增加流速突增。相對于離子液體，PBS溶液流速穩(wěn)定區(qū)域稍小，約在2.8～6.5 V之間。此外，離子液體產(chǎn)生的氣泡小而密，PBS溶液因水分解產(chǎn)生的氣泡大而豐富。理論上十幾V的電壓也能驅(qū)動，但由于電解產(chǎn)生的氣泡過多，阻礙了液體流動，導(dǎo)致了電壓>6 V后流速就較不穩(wěn)定。通過實驗比較，可得出離子液體因其自身的優(yōu)點適合應(yīng)用于MHD驅(qū)動。

4 結(jié)束語

本文提出離子液體是一種可應(yīng)用于微流控技術(shù)和光電子器件的新類型流體材料，并從理論實驗方面研究了一種基于MHD的離子液體驅(qū)動方法，主要結(jié)論如下：(1)利用離子液體化學(xué)性質(zhì)優(yōu)勢，可基于MHD驅(qū)動流體流動，驅(qū)動時離子液體可是穩(wěn)定的層流，其適度的粘性有助于穩(wěn)定運輸微粒，有利于其在微流控技術(shù)中應(yīng)用；(2)從實驗和理論數(shù)據(jù)比較可看出，泊肅葉定律并不適合研究微流體MHD驅(qū)動，反而有限體積數(shù)值法更適合。實驗觀察到直流穩(wěn)恒MHD驅(qū)動時有氣泡產(chǎn)生，采用交變電磁場驅(qū)動是避免氣泡的一種有效方案，但裝置比直流穩(wěn)恒MHD驅(qū)動復(fù)雜，成本稍高?，F(xiàn)存的一個問題是離子液體電導(dǎo)率和黏度對溫度敏感，隨環(huán)境溫度變化，這是應(yīng)用中必須考慮的。

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MHD Drive Based on the Ionic Liquid [bmim]NTF2

Ionic liquids are mainly applied in the field of chemistry and rarely applied as physical material. In this paper, ionic liquids are used as a new type of fluid material for microfluidic. We propose a novel method for driving an ionic liquid based on the principle of magnetic hydrodynamics. In order to visually observe and study the flow phenomenon of ionic liquids, we designed two experiments: the driving force measurement and the ionic liquid flow velocity measurement. Experimental results show that the flow rates are 7.8 μl/s at applied direct-current potentials of 8V in a 0.4T magnetic field. The experimental results are compared with theoretical results to show the motion law of ionic liquids in driven magnetic field. Our research promotes the application of ionic liquids in microfluidics and optoelectronics.

magnetic hydrodynamics (MHD); ionic liquid; drive; Lorentz force; flow rate

2016- 01- 08

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃基金資助項目(SJLX_0363)；南京郵電大學(xué)基金資助項目(NY208002)

左艷(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：光子材料與光學(xué)器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.041

TN304;O361.4

A

1007-7820(2016)10-144-04