इलेक्ट्रोवेटिंग

इलेक्ट्रोवेटिंग किसी लागू विद्युत क्षेत्र के साथ किसी जल विरोधी सतह के क्लेदन गुणों का संशोधन है।

इतिहास

परिवर्ती आवेशित सतहों पर पारा और अन्य तरल पदार्थों के इलेक्ट्रोवेटिंग की व्याख्या संभवतः सबसे पहले 1875 में गेब्रियल लिपमैन द्वारा की गई थी। यद्यपि इस प्रक्रिया को निश्चित रूप से बहुत पहले देखा गया था। ए. एन. फ्रुमकिन ने 1936 में जल के बूंदों के आकार को परिवर्तित करने के लिए सतह आवेश का उपयोग किया। इलेक्ट्रोवेटिंग शब्द प्रथम बार 1981 में जी. बेनी और एस.हैकवुड द्वारा एक नए प्रकार के डिस्प्ले उपकरण को प्ररूपित करने के लिए प्रस्तावित, एक प्रभाव का वर्णन करने के लिए प्रस्तुत किया गया था, जिसके लिए उन्होंने एकस्व प्राप्त किया था। रासायनिक और जैविक तरल पदार्थों में परिवर्तन करने के लिए सूक्ष्मप्रवाही परिपथ में द्रव ट्रांजिस्टर का उपयोग प्रथम 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। रोधक अचालक और जलभीरु परत, अमिश्रणीय तरल पदार्थ, डीसी या आरएफ शक्ति को नियोजित करना; और बड़े या सुमेलित इंडियम टिन ऑक्साइड विद्युतग्र के साथ मिनिएचर इंटरलीव्ड विद्युतग्र के मास एरेज़ को डिजिटल रूप से सूक्ष्म बूंदों को रैखिक, गोलाकार और निर्देशित पथ, पंप या मिश्रण तरल पदार्थ में स्थानांतरित करने, जलाशयों को भरने, और तरल प्रवाह को विद्युतकीय रूप से नियंत्रित करने या नियंत्रित करने के लिए वैकल्पिक रूप से 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।

बाद में 1993 में ब्रूनो बर्ज द्वारा नंगे विद्युतग्र के शीर्ष पर एक रोधी परत का उपयोग करके इलेक्ट्रोवेटिंग का अध्ययन किया गया। इस अचालक-लेपित सतह पर इलेक्ट्रोवेटिंग को इलेक्ट्रोवेटिंग-ऑन-डाइइलेक्ट्रिक अर्थात ईडब्ल्यूओडी कहा जाता है। नंगे विद्युतग्र पर पारंपरिक इलेक्ट्रोवेटिंग से इसे अलग करने के लिए ईडब्ल्यूओडी प्रणाली में धातु विद्युतग्र को अर्धचालक द्वारा प्रतिस्थापित करके इलेक्ट्रोवेटिंग का प्रदर्शन किया जा सकता है। 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 अर्द्धचालक सतह जैसे सिलिकॉन पर रखा जाता है जिससे स्कॉटकी डायोड विद्युतकीय परिपथ समायोजन में स्कॉटकी बाधा बन सके - इस प्रभाव को 'शोट्की इलेक्ट्रोवेटिंग' कहा जाता है।

इलेक्ट्रोवेटिंग द्वारा तरल पदार्थों के सूक्ष्मप्रवाही परिवर्तन को पहले पानी में पारा बूंदों के साथ प्रदर्शित किया गया था और बाद में हवा में पानीऔर तेल में पानी के साथ प्रदर्शित किया गया था। द्वि-आयामी पथ पर बूंदों का परिवर्तन बाद में प्रदर्शित किया गया।

यदि तरल को विखंडित किया जाता है और प्रोग्रामयोग्य रूप से परिवर्तित किया जाता है, तो प्रक्रिया को डिजिटल सूक्ष्मप्रवाही परिपथ या डिजिटल सूक्ष्मप्रवाही शास्त्र कहा जाता है। इलेक्ट्रोवेटिंग-ऑन-डाइइलेक्ट्रिक द्वारा असंततकरण का प्रदर्शन सबसे पहले चो, मून और किम द्वारा किया गया था।

इलेक्ट्रोवेटिंग सिद्धांत

तरल, आइसोलेटर, सब्सट्रेट

इलेक्ट्रोवेटिंग प्रभाव को ठोस और विद्युत् अपघट्य के मध्य लागू संभावित अंतर के कारण ठोस-विद्युत् अपघट्य 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। विद्युत् अपघट्य बूंद के कोनों पर हिमीकरण बूंद क्षेत्र को विद्युतग्र पर नीचे खींचता है, सूक्ष्मदर्शीय संपर्क कोण को कम करता है और बूंद संपर्क क्षेत्र को बढ़ाता है। वैकल्पिक रूप से, इलेक्ट्रोवेटिंग को ऊष्मागतिक परिप्रेक्ष्य से देखा जा सकता है। चूंकि एक अंतरपृष्ट के सतही तनाव को उस सतह के एक निश्चित क्षेत्र को निर्मित करने के लिए आवश्यक हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है, इसमें रासायनिक और विद्युत दोनों घटक सम्मिलित हैं, और उस समीकरण में आवेश एक महत्वपूर्ण शब्द बन जाता है। रासायनिक घटक बिना किसी विद्युत क्षेत्र के ठोस/विद्युत् अपघट्य अंतरपृष्ठ का प्राकृतिक सतही तनाव है। विद्युत घटक सूचालक और विद्युत् अपघट्य के मध्य बने संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा है।

इलेक्ट्रोवेटिंग सिद्धांत की सबसे सरल व्युत्पत्ति इसके ऊष्मागतिकी प्रतिरूप पर विचार करके दी गई है। यद्यपि विद्युत फ्रिंजिंग क्षेत्र के सटीक आकार और यह कैसे स्थानीय बूंद वक्रता को प्रभावित करता है, पर विचार करके इलेक्ट्रोवेटिंग का एक विस्तृत संख्यात्मक प्रारूप प्राप्त करना संभव है, ऐसे समाधान गणितीय और संगणनीय रूप से जटिल हैं। ऊष्मागतिकी व्युत्पत्ति निम्नानुसार आगे बढ़ती है। प्रासंगिक सतह तनावों को निम्नलिखित प्रकार से परिभाषित किया जाता है:

$\gamma _{ws}\,$ - विद्युत् अपघट्य और सुचालक के मध्य कुल, विद्युत और रासायनिक, सतह तनाव

$\gamma _{ws}^{0}\,$ - शून्य विद्युत क्षेत्र में विद्युत् अपघट्य और सुचालक के मध्य सतह तनाव

$\gamma _{s}\,$ - सुचालक और बाहरी परिवेश के मध्य सतह तनाव

$\gamma _{w}\,$ - विद्युत् अपघट्य और बाहरी परिवेश के मध्य सतह तनाव

$\theta$ – विद्युत् अपघट्य और ढांकता हुआ के मध्य मैक्रोस्कोपिक संपर्क कोण

$C$ - अंतरपृष्ठ के प्रति क्षेत्र समाई, є_rє₀/ टी, मोटाई टी और परावैद्युतांक के एक समान अचालक के लिए_r

$V$ - प्रभावी लागू विभव, विद्युत् अपघट्य से सुचालक 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 $\gamma _{ws}$ को प्रयोग किया जाता है:

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

दो समीकरणों का संयोजन प्रभावी लागू विभव 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 विभव के बाद, संतृप्ति विभव, विभव की और वृद्धि संपर्क कोण को नहीं परिवर्तित करती है, और अत्यधिक विभव के साथ अंतरपृष्ठ केवल अस्थिरता को प्रदर्शित करता है।

यद्यपि, सतही आवेश सतही ऊर्जा का एक घटक है, और अन्य घटक निश्चित रूप से प्रेरित आवेश से ग्रसित हैं। इसलिए, इलेक्ट्रोवेटिंग का एक पूर्ण विवरण अपरिमित है, परंतु यह आश्चर्यजनक नहीं होना चाहिए कि ये सीमाएं उपलब्ध हैं।

यह हाल ही में क्लारमैन एट अल द्वारा दिखाया गया था। 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 प्रणाली 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 और यह संपर्क कोण विभव के साथ बढ़ता है।

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

रिवर्स इलेक्ट्रोवेटिंग

रिवर्स इलेक्ट्रोवेटिंग यांत्रिकी-से-विद्युतकीय इंजीनियरिंग योजना के माध्यम से ऊर्जा की कमी के लिए उपयोग किया जा सकता है।

द्रव्य-उत्तेजित फिल्म पर इलेक्ट्रोवेटिंग

एक अन्य तरल-संक्रमित फिल्म पर इलेक्ट्रोवेटिंग पर इलेक्ट्रोवेटिंग है। तरल और ठोस चरणों के क्लेदित गुणों के नाजुक नियंत्रण के माध्यम से एक झरझरा झिल्ली में एक तरल स्नेहक को समायोजित करके तरल-संक्रमित फिल्म प्राप्त की जाती है। द्रव्य-द्रव्य अंतरपृष्ठ पर नगण्य संपर्क लाइन पिनिंग का लाभ उठाते हुए, ईडब्ल्यूओएलएफ में बूंद प्रतिक्रिया को पारंपरिक इवोद की तुलना में परिवर्तनशीलता और प्रतिवर्त्यता की बढ़ी हुई डिग्री के साथ विद्युत रूप से संबोधित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, 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 मध्य, ईडब्ल्यूओएलएफ से जुड़े क्लेदन प्रभाव को तरल स्नेहक की चिपचिपाहट और मोटाई में परिवर्तन करके तैयार किया जा सकता है।

प्रकाशीय और प्रकाशवैद्युतक्लेदन

ऑप्टोइलेक्ट्रोवेटिंग, और प्रकाशवैद्युतक्लेदन दोनों वैकल्पिक रूप से प्रेरित इलेक्ट्रोवेटिंग प्रभाव हैं। ऑप्टोइलेक्ट्रोवेटिंग में एक प्रकाशिक चालकता का उपयोग सम्मिलित होता है जबकि फोटोइलेक्ट्रोवेटिंग एक फोटोडायोड का उपयोग करता है और यह देखा जा सकता है कि इलेक्ट्रोवेटिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले तरल / अवरोधक / सुचालक स्टैक में सुचालक को अर्धचालक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। अर्द्धचालक के समष्टि आवेश क्षेत्र में वाहकों की संख्या को वैकल्पिक रूप से संशोधित करके, एक तरल बूंद के संपर्क कोण को निरंतर तरीके से परिवर्तित किया 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 की सीमा में हैं, केवल सतहों का एक सीमित समुच्चय सैद्धांतिक रूप से अनुमानित इलेक्ट्रोवेटिंग व्यवहार प्रदर्शित करता है। इस वजह से, वैकल्पिक सामग्री जिनका उपयोग सतह को आवरित करने और कार्यात्मक बनाने के लिए किया जा सकता है, का उपयोग अपेक्षित क्लेदन 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 विद्युतग्र को आवरित करते हैं, जो सामान्यतः एल्यूमीनियम झिल्ली या इंडियम टिन ऑक्साइड से बने होते हैं। इस तरह के तीन प्रकार के पॉलिमर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं: फ्लोरोपेल हाइड्रोफोबिक और सुपरहाइड्रोफोबिक वी-श्रेणी 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। ये सामग्रियां सतहों को विद्युत प्रवाह के लिए विद्युतग्र के रूप में कार्य करने की अनुमति देती हैं।

अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोवेटिंग का उपयोग अब मॉड्यूलर से अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है। समायोज्य लेंस, विद्युतकीय डिस्प्ले, विद्युतीय आउटडोर डिस्प्ले और ऑप्टिकल फाइबर के लिए कुंजी तथा विशेष रूप से कॉफी रिंग प्रभाव को दबाने के लिए तथा नरम पदार्थ में परिवर्तन करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग को विकसित किया गया है। इसके अतिरिक्त, तेल रिसाव की सफाई और तेल-पानी के मिश्रण को अलग करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग कार्यक्षमता वाले फिल्टर का सुझाव दिया गया है।

अंतर्राष्ट्रीय बैठक

इलेक्ट्रोवेटिंग के लिए एक अंतरराष्ट्रीय बैठक प्रत्येक दो वर्ष में आयोजित की जाती है। सबसे हालिया बैठक 18 से 20 जून, 2018 को यूनिवर्सिटी ऑफ ट्वेंटी, नीदरलैंड्स में आयोजित की गई थी।इलेक्ट्रोवेटिंग बैठक के पूर्व आयोजनकर्ता 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

बाहरी संबंध

• Fan-TASY Lab at National Taiwan University (archived 2020)
• Wheeler Microfluidics Laboratory at the University of Toronto
• Digital Microfluidics Lab at Duke University
• Physics of Complex Fluids at University of Twente
• Diagram explaining electrowetting
• Progress with electrowetting displays
• Nanoelectronics Laboratory at UC NanoLab, University of Cincinnati
  • NanoLab Research at the University of Cincinnati
• Liquidvista Low Frequency Electrowetting 6.2-inch Display
• Full system and devices development with specialization in electrowetting prototyping. Collaboration with the University of Cincinnati.