Электроконвекция около двухслойных композитных микрочастиц

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты численного моделирования поведения раствора электролита около сферической диэлектрической микрочастицы, покрытой однородной ионоселективной оболочкой, во внешнем электрическом поле. Предполагается, что частица зафиксирована, а электролит в отсутствие электрического поля покоится или движется с постоянной скоростью за счет внешнего механического воздействия. Электрическое поле, в свою очередь, вызывает электроосмотическое движение электролита около частицы. Показано, что около такой композитной частицы может наблюдаться концентрационная поляризация, но электрокинетическая неустойчивость возникает лишь при достаточно большой толщине оболочки. Около частиц с поверхностным зарядом, противоположным заряду оболочки, могут наблюдаться нестационарные режимы течения, которые реализуются при небольшой толщине оболочки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. С. Ганченко

Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Email: shelistov_v@mail.ru

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов

Россия, 125167, Москва, Ленинградский просп., 49/2

В. С. Шелистов

Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: shelistov_v@mail.ru

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов

Россия, 125167, Москва, Ленинградский просп., 49/2

Е. A. Демехин

Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации; НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: shelistov_v@mail.ru

Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Лаборатория общей аэродинамики

Россия, 125167, Москва, Ленинградский просп., 49/2; 119192, Москва, Мичуринский просп., 1

Список литературы

  1. Paillot R. M. Smoluchowski – Contribution à la théorie de l’endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs (Bulletin de l’Académie des Sciences de Cracovie, mars 1903) // J. Phys.: Theor. Appl. 1904. V. 3. № 1. P. 912. https://doi.org/10.1051/jphystap:019040030091201
  2. Mohammadi R., Afsaneh H., Rezaei B., Zand M.M. On-chip dielectrophoretic device for cancer cell manipulation: A numerical and artificial neural network study // Biomicrofluidics. 2023. V. 17. P. 024102. https://doi.org/10.1063/5.0131806
  3. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез. М.: Наука. 1976.
  4. Schnitzer O., Yariv E. Strong-field electrophoresis // J. Fluid Mech. 2012. V. 701. P. 333–351. https://doi.org/10.1017/jfm.2012.161
  5. Schnitzer O., Zeyde R., Yavneh I., Yariv E. Weakly nonlinear electrophoresis of a highly charged colloidal particle // Phys. Fluids. 2013. V. 25. № 5. P. 052004. https://doi.org/10.1063/1.4804672
  6. Schnitzer O., Yariv E. Nonlinear electrophoresis at arbitrary field strengths: small-Dukhin-number analysis // Phys. Fluids. 2014. V. 26. № 12. P. 122002. https://doi.org/10.1063/1.4902331
  7. Tottori S., Misiunas K., Keyser U.F., Bonthuis D.J. Nonlinear electrophoresis of highly charged nonpolarizable particles // Phys. Rev. Lett. 2019. V. 123. № 1. P. 014502. https://doi.org/10.1103/physrevlett.123.014502
  8. Khair A.S. Nonlinear electrophoresis of colloidal particles // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2022. V. 59. P. 101587. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2022.101587
  9. Dukhin S.S. Electrokinetic phenomena of the second kind and their applications // Adv. Colloid Interface Sci. 1991. V. 35. P. 173–196. https://doi.org/10.1016/0001-8686(91)80022-c
  10. Yariv E. Migration of ion-exchange particles driven by a uniform electric field // J. Fluid Mech. 2010. V. 655. P. 105–121. https://doi.org/10.1017/s0022112010000716
  11. Frants E.A., Ganchenko G.S., Shelistov V.S., Amiroudine S., Demekhin E.A. Nonequilibrium electrophoresis of an ion-selective microgranule for weak and moderate external electric fields // Phys. Fluids. 2018. V. 30. № 2. P. 022001. https://doi.org/10.1063/1.5010084
  12. Mishchuk N.A., Takhistov P.V. Electroosmosis of the second kind // Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 1995. V. 95. № 2–3. P. 119–131. https://doi.org/10.1016/0927-7757(94)02988-5
  13. Ganchenko G.S., Frants E.A., Shelistov V.S., Nikitin N.V., Amiroudine S., Demekhin E.A. Extreme nonequilibrium electrophoresis of an ion-selective microgranule // Phys. Rev. Fluid. 2019. V. 4. № 4. P. 043703. https://doi.org/10.1103/physrevfluids.4.043703
  14. Ganchenko G.S., Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. Instabilities, bifurcations, and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective microparticle // Phys. Fluids. 2020. V. 32. № 5. P. 054103. https://doi.org/10.1063/1.5143312
  15. Kłodzińska E., Szumski M., Dziubakiewicz E., Hrynkiewicz K., Skwarek E., Janusz W., Buszewski B. Effect of zeta potential value on bacterial behavior during electrophoretic separation // Electrophoresis. 2010. V. 31. № 9. P. 1590–1596. https://doi.org/10.1002/elps.200900559
  16. Polaczyk A.L., Amburgey J.E., Alansari A., Poler J.C., Propato M., Hill V.R. Calculation and uncertainty of zeta potentials of microorganisms in a 1:1 electrolyte with a conductivity similar to surface water // Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2020. V. 586. P. 124097. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124097
  17. Maurya S.K., Gopmandal P.P., Ohshima H., Duval J.F.L. Electrophoresis of composite soft particles with differentiated core and shell permeabilities to ions and fluid flow // J. Colloid Interface Sci. 2020. V. 558. P. 280–290. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.09.118
  18. Ohshima H. Approximate analytic expressions for the electrophoretic mobility of spherical soft particles // Electrophoresis. 2021. V. 42. № 21–22. P. 2182–2188. https://doi.org/10.1002/elps.202000339
  19. Schnitzer O., Yariv E. Streaming-potential phenomena in the thin-Debye-layer limit. Part 3. Shear-induced electroviscous repulsion // J. Fluid Mech. 2016. V. 786. P. 84–109. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.647
  20. Франц Е.А., Шелистов В.С., Ганченко Г.С., Горбачева Е.В., Алексеев М.С., Демехин Е.А. Электрофорез диэлектрической частицы в сильном электрическом поле // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2021. Т. 18. № 4. С. 33–40. https://doi.org/10.31429/vestnik-18-4-33-40
  21. Ганченко Г.С., Калайдин Е.Н., Чакраборти С., Демехин Е.А. Гидродинамическая неустойчивость при омических режимах в несовершенных электрических мембранах // Доклады Академии наук. 2017. Т. 474. № 3. С. 296–300. https://doi.org/10.7868/s0869565217150063
  22. Maduar S.R., Belyaev A. V., Lobaskin V., Vinogradova O.I. Electrohydrodynamics near hydrophobic surfaces // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 11. P. 118301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.118301
  23. Nikitin N.V. Third-order-accurate semi-implicit Runge-Kutta scheme for incompressible Navier-stokes equations // Int. J. Numer. Methods Fluids. 2006. V. 51. № 2. P. 221–233. https://doi.org/10.1002/fld.1122
  24. Demekhin E.A., Nikitin N.V., Shelistov V.S. Direct numerical simulation of electrokinetic instability and transition to chaotic motion // Phys. Fluids. 2013. V. 25. № 12. P. 122001. https://doi.org/10.1063/1.4843095
  25. Shelistov V.S., Demekhin E.A., Ganchenko G.S. Electrokinetic instability near charge-selective hydrophobic surfaces // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. № 1. P. 013001. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.90.013001
  26. Ганченко Г.С., Шелистов В.С., Демехин Е.А. Физика движения композитной микрочастицы с тонкой ионоселективной оболочкой во внешнем электрическом поле // Письма в ЖЭТФ (готовится к отправке).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение композитной микрочастицы.

Скачать (158KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределения плотности заряда и концентрации соли снаружи частицы при, и . (а), (б) , (в) . Распределения внутри оболочки не показаны.

Скачать (293KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределения (а) тока через поверхность и (б) электрического потенциала вдоль оси симметрии при , и . Кривые 1 – , кривые 2 –.

Скачать (174KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а), (в) – зависимость падения напряжения в области пространственного заряда от напряженности внешнего поля ; (б), (г) – зависимость интегрального тока от . Графики (а) и (б) построены без адвекции, , графики (в) и (г) – с адвекцией, . Кривые 1 – , кривые 2 – , кривые 3 – . Во всех случаях . Пунктир соответствует нестационарным режимам (с электроконвекцией), для которых значения тока усредняются по времени.

Скачать (302KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025