इलेक्ट्रोवेटिंग

इलेक्ट्रोगीला एक लागू विद्युत क्षेत्र के साथ एक सतह (जो आमतौर पर जल विरोधी है) के गीले गुणों का संशोधन है।

इतिहास

परिवर्ती आवेशित सतहों पर पारा (तत्व) और अन्य तरल पदार्थों के इलेक्ट्रोवेटिंग को संभवतः सबसे पहले 1875 में गेब्रियल लिपमैन द्वारा समझाया गया था।^[1] और निश्चित रूप से बहुत पहले देखा गया था। एलेक्जेंडर फ्रुमकिन|ए. एन. फ्रुमकिन ने 1936 में पानी की बूंदों के आकार को बदलने के लिए सतह आवेश का उपयोग किया।^[2] इलेक्ट्रोवेटिंग शब्द पहली बार 1981 में जी. बेनी और एस. हैकवुड द्वारा एक नए प्रकार के डिस्प्ले डिवाइस को डिजाइन करने के लिए प्रस्तावित एक प्रभाव का वर्णन करने के लिए पेश किया गया था, जिसके लिए उन्होंने पेटेंट प्राप्त किया था।^[3] रासायनिक और जैविक तरल पदार्थों में हेर-फेर करने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक सर्किट में द्रव ट्रांजिस्टर का उपयोग पहली बार 1980 में जे. ब्राउन द्वारा किया गया था और बाद में 1984-1988 में एनएसएफ अनुदान 8760730 और 8822197 के तहत वित्त पोषित किया गया था।^[4] रोधक ढांकता हुआ और हाइड्रोफोबिक परत (एस) (ईडब्ल्यूओडी), अमिश्रणीय तरल पदार्थ, डीसी या आरएफ शक्ति को नियोजित करना; और बड़े या मैचिंग इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) इलेक्ट्रोड के साथ मिनिएचर इंटरलीव्ड (आरा टूथ) इलेक्ट्रोड के मास एरेज़ को डिजिटल रूप से नैनो बूंदों को रैखिक, गोलाकार और निर्देशित पथ, पंप या मिश्रण तरल पदार्थ में स्थानांतरित करने, जलाशयों को भरने, और तरल प्रवाह को इलेक्ट्रॉनिक रूप से नियंत्रित करने या नियंत्रित करने के लिए वैकल्पिक रूप से। बाद में, एनआईएच में जे. सिल्वर के सहयोग से, ईडब्ल्यूओडी-आधारित इलेक्ट्रोवेटिंग को डिजिटल पीसीआर उप-नमूने के सरणियों को स्थानांतरित करने, अलग करने, पकड़ने और सील करने के लिए एकल और अमिश्रणीय तरल पदार्थों के लिए प्रकट किया गया था।^[5] बाद में 1993 में ब्रूनो बर्ज द्वारा नंगे इलेक्ट्रोड के शीर्ष पर एक इन्सुलेटिंग परत का उपयोग करके इलेक्ट्रोवेटिंग का अध्ययन किया गया।^[6] इस ढांकता हुआ-लेपित सतह पर इलेक्ट्रोवेटिंग को इलेक्ट्रोवेटिंग-ऑन-डाइइलेक्ट्रिक (ईडब्ल्यूओडी) कहा जाता है।^[7] नंगे इलेक्ट्रोड पर पारंपरिक इलेक्ट्रोवेटिंग से इसे अलग करने के लिए। EWOD प्रणाली में धातु इलेक्ट्रोड को अर्धचालक द्वारा प्रतिस्थापित करके इलेक्ट्रोवेटिंग का प्रदर्शन किया जा सकता है।^[8]^[9] इलेक्ट्रोवेटिंग तब भी देखी जाती है जब एक पी-एन जंक्शन को एक संचालन छोटी बूंद (जैसे पारा) पर लागू किया जाता है जिसे सीधे सेमीकंडक्टर सतह (जैसे सिलिकॉन) पर रखा गया है ताकि स्कॉटकी डायोड इलेक्ट्रिकल सर्किट कॉन्फ़िगरेशन में स्कॉटकी बाधा बन सके - इस प्रभाव को कहा गया है 'शोट्की इलेक्ट्रोवेटिंग'।^[10] इलेक्ट्रोवेटिंग द्वारा तरल पदार्थों के माइक्रोफ्लुइडिक हेरफेर को पहले पानी में पारा बूंदों के साथ प्रदर्शित किया गया था^[11] और बाद में हवा में पानी के साथ^[7]और तेल में पानी।^[12] द्वि-आयामी पथ पर बूंदों का हेरफेर बाद में प्रदर्शित किया गया।^[13]^[14] यदि तरल को विखंडित किया जाता है और प्रोग्रामयोग्य रूप से हेरफेर किया जाता है, तो दृष्टिकोण को डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक सर्किट कहा जाता है^[15]^[16] या डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स।^[17] इलेक्ट्रोवेटिंग-ऑन-डाइइलेक्ट्रिक (ईडब्ल्यूओडी) द्वारा विवेक का प्रदर्शन सबसे पहले चो, मून और किम द्वारा किया गया था।^[18]

इलेक्ट्रोवेटिंग सिद्धांत

तरल, आइसोलेटर, सब्सट्रेट

इलेक्ट्रोवेटिंग प्रभाव को ठोस और इलेक्ट्रोलाइट के बीच लागू संभावित अंतर के कारण ठोस-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क कोण में परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया गया है। इलेक्ट्रोवेटिंग की घटना को लागू विद्युत क्षेत्र से उत्पन्न होने वाली शक्तियों के संदर्भ में समझा जा सकता है।^[19]^[20] इलेक्ट्रोलाइट ड्रॉपलेट के कोनों पर फ्रिंजिंग फील्ड ड्रॉपलेट को इलेक्ट्रोड पर नीचे खींचता है, मैक्रोस्कोपिक संपर्क कोण को कम करता है और ड्रॉपलेट संपर्क क्षेत्र को बढ़ाता है। वैकल्पिक रूप से, इलेक्ट्रोवेटिंग को थर्मोडायनामिक परिप्रेक्ष्य से देखा जा सकता है। चूंकि एक इंटरफ़ेस के सतही तनाव को उस सतह के एक निश्चित क्षेत्र को बनाने के लिए आवश्यक हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है, इसमें रासायनिक और विद्युत दोनों घटक शामिल हैं, और उस समीकरण में चार्ज एक महत्वपूर्ण शब्द बन जाता है। रासायनिक घटक बिना किसी विद्युत क्षेत्र के ठोस/इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस का प्राकृतिक सतही तनाव है। विद्युत घटक कंडक्टर और इलेक्ट्रोलाइट के बीच बने संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा है।

इलेक्ट्रोवेटिंग व्यवहार की सबसे सरल व्युत्पत्ति इसके थर्मोडायनामिक मॉडल पर विचार करके दी गई है। हालांकि विद्युत फ्रिंजिंग क्षेत्र के सटीक आकार और यह कैसे स्थानीय बूंद वक्रता को प्रभावित करता है, पर विचार करके इलेक्ट्रोवेटिंग का एक विस्तृत संख्यात्मक मॉडल प्राप्त करना संभव है, ऐसे समाधान गणितीय और कम्प्यूटेशनल रूप से जटिल हैं। थर्मोडायनामिक व्युत्पत्ति निम्नानुसार आगे बढ़ती है। प्रासंगिक सतह तनावों को परिभाषित करना:

\gamma _{ws}\,

- इलेक्ट्रोलाइट और कंडक्टर के बीच कुल, विद्युत और रासायनिक, सतह तनाव

\gamma _{ws}^{0}\,

- शून्य विद्युत क्षेत्र में इलेक्ट्रोलाइट और कंडक्टर के बीच सतह तनाव

\gamma _{s}\,

- कंडक्टर और बाहरी परिवेश के बीच सतह तनाव

\gamma _{w}\,

- इलेक्ट्रोलाइट और बाहरी परिवेश के बीच सतह तनाव

\theta

– इलेक्ट्रोलाइट और ढांकता हुआ के बीच मैक्रोस्कोपिक संपर्क कोण

C

- इंटरफ़ेस के प्रति क्षेत्र समाई, є_rє₀/ टी, मोटाई टी और परमिटिटिविटी के एक समान ढांकता हुआ के लिए_r

V

- प्रभावी लागू वोल्टेज, इलेक्ट्रोलाइट से कंडक्टर तक विद्युत क्षेत्र का अभिन्न अंग

कुल सतह तनाव को उसके रासायनिक और विद्युत घटकों से संबंधित करता है:

\gamma _{ws}=\gamma _{ws}^{0}-{\frac {CV^{2}}{2}}\,

संपर्क कोण यंग-डुप्रे समीकरण द्वारा दिया गया है, जिसमें एकमात्र जटिलता कुल सतह ऊर्जा है $\gamma _{ws}$ प्रयोग किया जाता है:

\gamma _{ws}=\gamma _{s}-\gamma _{w}\cos(\theta )\,

दो समीकरणों का संयोजन प्रभावी लागू वोल्टेज पर θ की निर्भरता देता है:

\cos \theta =\left({\frac {\gamma _{s}-\gamma _{ws}^{0}+{\frac {CV^{2}}{2}}}{\gamma _{w}}}\right)\,

एक अतिरिक्त जटिलता यह है कि तरल पदार्थ भी एक संतृप्ति घटना प्रदर्शित करते हैं: निश्चित वोल्टेज के बाद, संतृप्ति वोल्टेज, वोल्टेज की और वृद्धि संपर्क कोण को नहीं बदलेगी, और अत्यधिक वोल्टेज के साथ इंटरफ़ेस केवल अस्थिरता दिखाएगा।

हालाँकि, सतही आवेश सतही ऊर्जा का एक घटक है, और अन्य घटक निश्चित रूप से प्रेरित आवेश से परेशान हैं। इसलिए, इलेक्ट्रोवेटिंग का एक पूर्ण विवरण अपरिमित है, लेकिन यह आश्चर्यजनक नहीं होना चाहिए कि ये सीमाएं मौजूद हैं।

यह हाल ही में Klarman et al द्वारा दिखाया गया था।^[21] उस संपर्क कोण संतृप्ति को एक सार्वभौमिक प्रभाव के रूप में समझाया जा सकता है - उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की परवाह किए बिना - यदि इलेक्ट्रोवेटिंग को सिस्टम की विस्तृत ज्यामिति से प्रभावित वैश्विक घटना के रूप में देखा जाता है। इस ढांचे के भीतर यह भविष्यवाणी की जाती है कि रिवर्स इलेक्ट्रोवेटिंग भी संभव है (संपर्क कोण वोल्टेज के साथ बढ़ता है)।

इसे चेवालोइट द्वारा प्रयोगात्मक रूप से भी दिखाया गया है^[22] वह संपर्क कोण संतृप्ति सभी सामग्री मापदंडों के लिए अपरिवर्तनीय है, इस प्रकार यह खुलासा करता है कि जब अच्छी सामग्री का उपयोग किया जाता है, तो अधिकांश संतृप्ति सिद्धांत अमान्य होते हैं। यह वही पेपर आगे बताता है कि इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक अस्थिरता संतृप्ति का स्रोत हो सकती है, एक सिद्धांत जो अप्रमाणित है लेकिन कई अन्य समूहों द्वारा भी सुझाया जा रहा है।

रिवर्स इलेक्ट्रोवेटिंग

रिवर्स इलेक्ट्रोवेटिंग^[23] मैकेनिकल-टू-इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग योजना के माध्यम से ऊर्जा की कटाई के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

== लिक्विड-इन्फ्यूज्ड फिल्म (EWOLF) == पर इलेक्ट्रोवेटिंग एक अन्य तरल-संक्रमित फिल्म पर इलेक्ट्रोवेटिंग पर इलेक्ट्रोवेटिंग है। तरल और ठोस चरणों के गीला गुणों के नाजुक नियंत्रण के माध्यम से एक झरझरा झिल्ली में एक तरल स्नेहक को लॉक करके तरल-संक्रमित फिल्म प्राप्त की जाती है। लिक्विड-लिक्विड इंटरफेस पर नगण्य संपर्क लाइन पिनिंग का लाभ उठाते हुए, EWOLF में ड्रॉपलेट प्रतिक्रिया को पारंपरिक EWOD की तुलना में स्विचेबिलिटी और रिवर्सबिलिटी की बढ़ी हुई डिग्री के साथ विद्युत रूप से संबोधित किया जा सकता है। इसके अलावा, झरझरा झिल्ली में तरल स्नेहक चरण की घुसपैठ भी कुशलता से चिपचिपी ऊर्जा अपव्यय को बढ़ाती है, छोटी बूंद के दोलन को दबाती है और वांछित इलेक्ट्रोवेटिंग प्रतिवर्तीता का त्याग किए बिना तेजी से प्रतिक्रिया करती है। इस बीच, ईडब्ल्यूओएलएफ से जुड़े भिगोना प्रभाव को तरल स्नेहक की चिपचिपाहट और मोटाई में हेरफेर करके तैयार किया जा सकता है।^[24]

ऑप्टो- और फोटोइलेक्ट्रोवेटिंग

ऑप्टोइलेक्ट्रोवेटिंग,^[25]^[26] और photoelectric ^[27] दोनों वैकल्पिक रूप से प्रेरित इलेक्ट्रोवेटिंग प्रभाव हैं। ऑप्टोइलेक्ट्रोवेटिंग में एक फोटोकंडक्टिविटी का उपयोग शामिल होता है जबकि फोटोइलेक्ट्रोवेटिंग एक photodiode का उपयोग करता है और यह देखा जा सकता है कि इलेक्ट्रोवेटिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले तरल / इन्सुलेटर / कंडक्टर स्टैक में कंडक्टर को अर्धचालक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। सेमीकंडक्टर के अंतरिक्ष प्रभार | स्पेस-चार्ज क्षेत्र में वाहकों की संख्या को वैकल्पिक रूप से संशोधित करके, एक तरल बूंद के संपर्क कोण को निरंतर तरीके से बदला जा सकता है। इस प्रभाव को यंग-लिपमान समीकरण के संशोधन द्वारा समझाया जा सकता है।

सामग्री

उन कारणों के लिए जो अभी भी जांच के दायरे में हैं, केवल सतहों का एक सीमित सेट सैद्धांतिक रूप से अनुमानित इलेक्ट्रोवेटिंग व्यवहार प्रदर्शित करता है। इस वजह से, वैकल्पिक सामग्री जिनका उपयोग सतह को कोट करने और कार्यात्मक बनाने के लिए किया जा सकता है, का उपयोग अपेक्षित गीला व्यवहार बनाने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, अनाकार फ्लोरोपॉलीमर व्यापक रूप से इलेक्ट्रोवेटिंग कोटिंग सामग्री का उपयोग करते हैं, और यह पाया गया है कि इन फ्लोरोपॉलीमर के व्यवहार को उपयुक्त सतह पैटर्निंग द्वारा बढ़ाया जा सकता है। वांछित इलेक्ट्रोवेटिंग गुण बनाने के लिए ये फ्लोरोपॉलीमर आवश्यक प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड को कोट करते हैं, जो आमतौर पर एल्यूमीनियम पन्नी या इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) से बने होते हैं।^[28] इस तरह के तीन प्रकार के पॉलिमर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं: फ्लोरोपेल हाइड्रोफोबिक और सुपरहाइड्रोफोबिक वी-सीरीज पॉलिमर साइटोनिक्स द्वारा बेचे जाते हैं, साइटोप को असाही ग्लास कंपनी द्वारा बेचा जाता है, और टेफ्लॉन एएफ ड्यूपॉन्ट द्वारा बेचा जाता है। अन्य सतह सामग्री जैसे SiO2 और कांच पर सोने का उपयोग किया गया है।^[29]^[30] ये सामग्रियां सतहों को विद्युत प्रवाह के लिए ग्राउंड इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करने की अनुमति देती हैं।^[30]

अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोवेटिंग का उपयोग अब मॉड्यूलर से अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है। समायोज्य लेंस, इलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले (ई-पत्रों ), इलेक्ट्रॉनिक आउटडोर डिस्प्ले और ऑप्टिकल फाइबर के लिए स्विच। विशेष रूप से कॉफी रिंग प्रभाव को दबाने के लिए विशेष रूप से नरम पदार्थ में हेरफेर करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग को विकसित किया गया है।^[31] इसके अलावा, तेल रिसाव की सफाई और तेल-पानी के मिश्रण को अलग करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग कार्यक्षमता वाले फिल्टर का सुझाव दिया गया है।^[32]

अंतर्राष्ट्रीय बैठक

इलेक्ट्रोवेटिंग के लिए एक अंतरराष्ट्रीय बैठक हर दो साल में आयोजित की जाती है। सबसे हालिया बैठक 18 से 20 जून, 2018 को यूनिवर्सिटी ऑफ ट्वेंटी, नीदरलैंड्स में आयोजित की गई थी।^[33] इलेक्ट्रोवेटिंग मीटिंग के पिछले मेजबान हैं: मॉन्स (1999), आइंडहोवन (2000), ग्रेनोबल (2002), ब्लौबेरेन (2004), रोचेस्टर (2006), लॉस एंजिल्स (2008), पोहांग (2010), एथेंस (2012), सिनसिनाटी (2014), ताइपे (2016)।

यह भी देखें

धातु-अर्धचालक जंक्शन
microfluidics
कोमल पदार्थ
गीला करना

संदर्भ

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↑ International Electrowetting Conference 2018

बाहरी संबंध

[1] Gabriel Lippmann, "Relation entre les phénomènes électriques et capillaires." Ann. Chim. Phys, 5:494, 1875

[2] A. Frumkin, Об явлениях смачивания и прилипания пузырьков, I (On the phenomena of wetting and adhesion of the bubbles, I). Zhurnal Fizicheskoi Khimii (J Phys Chem USSR), 12: 337-345 (1938).

[3] Beni, G.; Hackwood, S. (1981-02-15). "Electro‐wetting displays". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 38 (4): 207–209. Bibcode:1981ApPhL..38..207B. doi:10.1063/1.92322. ISSN 0003-6951.

[4] [1]^{[permanent dead link]}

[5] US patent 6143496, Brown, et al., "न्यूक्लिक एसिड के सैंपलिंग, एम्पलीफाइंग और क्वांटिफाइंग सेगमेंट की विधि, पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन असेंबली जिसमें नैनोलीटर-साइज़ सैंपल चैंबर्स हैं, और असेंबली भरने की विधि", issued November 7, 2000

[6] B. Berge, "Électrocapillarité et mouillage de films isolants par l'eau", C. R. Acad. Sci. Paris, t. 317, Série II, p. 157-163, 1993.

[ReferenceA-7] 7.0 ^7.1 J. Lee, "Microactuation by Continuous Electrowetting and Electrowetting: Theory, Fabrication, and Demonstration," PhD Thesis, University of California, Los Angeles, 2000

[8] S. Arscott “Electrowetting and semiconductors” RSC Advances 4, 29223 (2014). doi:10.1039/C4RA04187A.

[9] C. Palma and R. Deegan “Electrowetting on semiconductors” Appl. Phys. Lett. 106, 014106 (2015). doi:10.1063/1.4905348.

[10] S. Arscott and M. Gaudet "Electrowetting at a liquid metal–semiconductor junction" Appl. Phys. Lett. 103, 074104 (2013). doi:10.1063/1.4818715.

[11] J. Lee and C.-J. Kim, "Liquid Micromotor Driven by Continuous Electrowetting", Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Heidelberg, Germany, Jan. 1998, pp. 538–543

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[33] International Electrowetting Conference 2018

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