Р.Рџ.Рванов
Рлектрокапиллярность - очень простое Рё интересное явление, которое только начинает применяться РІ современной технике. Р’ этой заметке рассказывается Рѕ некоторых устройствах РЅР° его РѕСЃРЅРѕРІРµ.
Течение жидкостей в микроскопических (субмиллиметровых) системах играет важную роль как в природе (например, в функционировании живых организмов), так и в промышленности (вспомните хотя бы жидкокристаллические дисплеи и струйные принтеры). Часто это течение сопровождается разнообразными электрическими явлениями. Кроме того, современная технология, идя по пути миниатюризации, уже сейчас сталкивается с проблемой контроля и управления микротечениями жидкости. Причем контроль тоже желательно иметь электрический - ведь подавляющее большинство приборов функционирует за счет электропитания. В результате возникает интересная научно-инженерная проблема: создать прибор, в котором управление течением жидкости осуществлялось бы электрическими методами, попутно выяснив, как электростатические и электродинамические явления сказываются на течении проводящих жидкостей.
РћРґРЅРѕ РёР· интересных решений этой проблемы базируется РЅР° явлении электрокапиллярности. Вкратце, электрокапиллярный эффект заключается РІ том, что внешнее электрическое поле изменяет поверхностное натяжение проводящей жидкости. Явление вполне понятное: ведь поверхностное натяжение Рё капиллярность обязаны своему существованию межмолекулярному (ван-дер-ваальсовому) взаимодействию, которое имеет электрическую РїСЂРёСЂРѕРґСѓ. Рто явление можно считать "жидким" аналогом пьезоэлектричества (явления, заключающегося РІ том, что механическая деформация некоторых кристаллов РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє возникновению разности потенциалов Рё наоборот).
Рлектрокапиллярный эффект известен уже достаточно давно. Р’ конце 19-РіРѕ века его исследовал французский физик Габриэль Липпманн (лауреат Нобелевской премии РїРѕ физике Р·Р° 1908 РіРѕРґ). РћРЅ выяснил, что РЅР° границе раздела РґРІСѓС… проводящих жидкостей (например, ртути Рё серной кислоты) возникает РґРІРѕР№РЅРѕР№ электрический слой, который влияет РЅР° коэффициент поверхностного натяжения границы раздела этих жидкостей. Прикладывая дополнительную разность потенциалов, можно изменять заряд, возникающий РЅР° границе раздела, Р° значит, Рё влиять РЅР° само поверхностное натяжение. Если теперь РѕР±Рµ эти жидкости поместить РІ капилляр, то высота столбика более тяжелой жидкости будет зависеть РѕС‚ приложенной разности потенциалов. Другими словами, РјС‹ получим готовый РїСЂРёР±РѕСЂ: капиллярный вольтметр.
В таком виде электрокапиллярный эффект используется и в наши дни. Например, на его основе работает электрокапиллярный модулятор [1], устройство, изменяющее количество отраженного света под действием напряжения (Рис.1). Устройство состоит из двух связанных отсеков, в которых находится капля ртути. Прикладывая напряжение, можно "перегонять" каплю из одного отсека в другой, изменяя тем самым диаметр ртутного зеркальца в верхнем отсеке и, следовательно, количество отраженного света. Предполагается, что такое устройство найдет себе применение в оптоэлектронике.
Совсем недавно была разработана и другая схема использования электрокапиллярности. В работе [2] описана схема установки, в которой микротечения жидкости возникают из-за двойного электрического слоя на границе жидкость-твердое тело (а не жидкость-жидкость). Принципиальная схема установки показана на Рис.2. В стенках капилляра, в котором находится электролит, вмонтированы электроды. Когда между электродами и проводящей жидкостью создается разность потенциалов, на электродах и на стенках капилляра возникает поверхностный заряд. Заряды притягиваются друг к другу, что приводит к усилению взаимодействия жидкости со стенками, то есть к эффективному усилению смачиваемости. Как следствие, изменяется высота столбика жидкости в капилляре.
Нетрудно понять, что изменение высоты столбика будет квадратично зависеть от приложенного напряжения. В самом деле, дополнительная сила взаимодействия со стенками пропорциональна квадрату наведенного заряда, а заряд в свою очередь прямо пропорционален напряжению (зазор между жидкостью и электродом играет роль конденсатора!). Такая квадратичная зависимость и была отмечена в эксперименте. Для ориентировки, некоторые числа: в капилляре диаметром 0.35 мм напряжение в 100 В приводило к поднятию столбика жидкости примерно на 1 см. Важно еще и то, что жидкость поднималась достаточно быстро, за время порядка 0.1 сек.
В качестве примера возможного применения эффекта, ученые собрали матрицу из нескольких капилляров (рис.3). Под действием приложенного напряжения, столбик жидкости подскакивал в избранном капилляре. Таким образом, перед нами - электрокапиллярный переключатель субмиллиметровых размеров. Авторы работы приводят несколько направлений прикладной физики и химии, где похожие устройства оказались бы крайне полезными.
Список литературы
 [1] http://www.laurin.com/datacenter/dictionary/cd/de/elecmodu.htm - электрокапиллярный модулятор.
[2] M. Prins, W. Welters, J.Weekamp, Science, 291 (2001) 277.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nsu.ru