Flujos de electrolitos generados por microelectrodos sometidos a una onda de potencial viajera: (Travelling-wave electrokinetic micropumps)
- Autores: Pablo García Sánchez
- Directores de la Tesis: Antonio Ramos Reyes (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2009
- Idioma: español
- ISBN: 9788469237731
- Número de páginas: 143
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Castellanos Mata (presid.), Félix Carrique Fernández (secret.), Ángel Vicente Delgado Mora (voc.), Alberto Tomás Pérez Izquierdo (voc.), Henrik Bruus (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
La presente tesis doctoral trata sobre el uso de hileras de electrodos (electrode arrays) para el bombeo de electrolitos en microsistemas. Se presta especial atención a arrays de microelectrodos sujetos a potenciales de onda viajera. La motivación de este trabajo es doble: la tecnología del Laboratorio en un Chip requiere el desarrollo de métodos de control de fluidos en microsistemas y, por otro lado, experimentos recientes con arrays de microelectrodos muestran comportamientos que no han sido explicados teóricamente.
Nuestro principal objetivo en esta tesis es llevar a cabo una caracterización experimental exhaustiva de los flujos generados por estos arrays. No sólo medimos velocidades del fluido; para conseguir una descripción lo más completa posible de los fenómenos se han medido otras magnitudes físicas relevantes tales como: corriente eléctrica, impedancia, concentración de especies iónicas,... Por esto, la mayor parte del esfuerzo en este trabajo se ha dedicado a la puesta a punto de las técnicas para llevar a cabo el estudio experimental (desde el desarrollo de un programa para medir las velocidades de las partículas trazadoras hasta la preparación de montajes para las medidas simultáneas de la velocidad del fluido y de la corriente eléctrica y/o impedancia). Los resultados experimentales proporcionan información de los mecanismos físicos responsables de la generación de flujo de fluido. La mayor parte de este texto está dedicado a la presentación y análisis de estos resultados.
Presentamos por primera vez un estudio completo del flujo de fluido generado por potenciales de onda viajera como función de la amplitud de la se.nal aplicada (0-8Vpp) y de su frecuencia (0.1-10 kHz). El flujo ha sido descrito por un mapa 2-D donde la velocidad es representada frente a la amplitud y frecuencia de la se.nal. Se han usado arrays de dos metales diferentes (platino y titanio). Ambos arrays muestran el mismo comportamiento general: a amplitudes peque.nas el electrolito fluye en la dirección que predice la teoría de la AC electroosmosis. Este modo lo hemos denominado normal pumping. Para una cierta amplitud, que depende de la frecuencia, el flujo se invierte (reverse pumping). También hemos estudiado la influencia de varios parámetros experimentales como el tamaño del electrodo, la conductividad del electrolito, la altura del canal,... En todos los casos el flujo se invierte si la amplitud de la se.nal es suficientemente alta. El valor mínimo de la amplitud de la se.nal para que el flujo se invierta ha sido estudiado como función de estos parámetros.
También han sido llevadas a cabo medidas de la corriente eléctrica durante el bombeo de electrolito. Se ha observado comportamiento transitorio tanto en la corriente eléctrica como en la velocidad del fluido. La impedancia eléctrica del sistema electrodo-electrolito se midió después de los experimentos y se encontró que su valor decrece fuertemente. Hemos usado tintas fluorescentes para estudiar el efecto de las gradientes en concentración iónica generados por corrientes de Faraday. Se encontró que el pH cambia bruscamente para amplitudes de la se.nal típicas de las aplicadas para el reverse pumping. De estas observaciones se concluye que los modelos teóricos no deben ignorar estos cambios en las propiedades de los líquidos ya que éstos se encuentran fuertemente correlacionados con las observaciones de flujo. Los resultados de este estudio han motivado el trabajo teórico realizado en esta tesis:
- El efecto de las corrientes de Faraday en la carga de la capa doble eléctrica se ha modelado en el régimen lineal. Este modelo representa una aproximación más general al problema electrocinético, no se supone que los electrodos sean perfectamente polarizables.
- Se analizan fuerzas en el seno del líquido debidas a gradientes en la concentración iónica. Se discuten algunas situaciones donde estas fuerzas llevan a un bombeo neto de electrolito. Cálculos preliminares de la velocidad del fluido generada por gradientes donde las especies iónicas tienen diferente movilidad están en acuerdo con las medidas de velocidad a amplitudes altas (reverse pumping).
También se incluye un capítulo donde se optimiza la geometría del array de electrodos sometidos a una onda viajera. Los experimentos se realizan en estructuras planas pero los resultados numéricos muestran que estructuras 3-D pueden generar velocidades más grandes para la misma amplitud de la se.nal aplicada. En este capítulo se encuentra la altura del electrodo para que la velocidad neta sea máxima.
Otros trabajos relacionados con la manipulación de electrolitos con campos eléctricos alternos han sido realizados. En los apéndices se incluyen los resultados relativos a �Control de flujos bifásicos con campos alternos� y �Flujo de electrolito inducido en una geometría punta-plano en microsistemas�. Ambos trabajos son ejemplos de flujos generados por fuerzas eléctricas en el seno del electrolito. Estos apéndices sólo se incluyen en inglés.
