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Transport processes and instabilities induced by electric fields acting on fluidic interfaces

Dehe, Sebastian (2022):
Transport processes and instabilities induced by electric fields acting on fluidic interfaces. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00019812,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Transport processes and instabilities induced by electric fields acting on fluidic interfaces
Language: English
Abstract:

Electrohydrodynamics (EHD) describes the area of research, which studies the interactions of fluid motion and electric fields. In liquids with non-negligible conductivity, charged regions are confined to thin layers closest to boundaries, where EHD effects are most pronounced. In the present work, different phenomena that involve the actuation of fluidic interfaces by electric fields are studied.

Electro-osmosis describes the fluid flow due to electric fields acting on charged regions close to the interface of a fluidic domain. When a liquid is deposited above a microstructured superhydrophobic surface, additional charges can be brought to the enclosed gas-liquid interface by placing a gate electrode below the surface. In this work, the production of a superhydrophobic surface with both micro- and nano-scales is described. In addition to inducing charges, a gate electrode exerts a force on the gas-liquid interface, pulling it in between the structures. Experimentally, the wetting state stability is characterized using reflection microscopy, revealing a continuous range of wetting states at dual-scale surfaces.

By using non-constant electro-osmotic flow, complex height-averaged flow fields can be induced in a Hele-Shaw cell, which is characterized by a small distance between the parallel bounding walls compared to a characteristic lateral length scale. The governing equations for of the flow field are derived, accounting both for stationary and oscillatory electric fields. The electro-osmotic flow field is characterized above a single disc-shaped gate electrode in a microfluidic channel, using particle tracking velocimetry. In addition, using proof-of-principle experiments, the ability to create complex flow patterns is demonstrated.

In order to use flow shaping in biochemical applications, a height-averaged transport model for a passive species is derived using a perturbation method, accounting for advection, diffusion and sample dispersion. The effects of sample dispersion are represented by a non-isotropic dispersion tensor. The reduced-order model shows good agreement to three-dimensional simulations, and potential applications are discussed.

Electric fields lead to forces on fluidic interfaces, and in this work, two different EHD instabilities at an interface between a dielectric and a conducting liquid are investigated. Upon application of a spatially homogeneous, harmonically oscillating electric field, a resonant response of the interface can be observed above a critical amplitude. An experimental setup with a circular domain is used to observe the spatial structure of the instability, which is extracted from light-refraction at the liquid-liquid interface. The resulting dominant wavelengths and instability modes show good agreement to an analytical model. Furthermore, the role of the domain boundary is investigated.

Upon applying a spatially inhomogeneous, but time-constant electric field, the interface exhibits EHD tip streaming above a critical voltage, emitting droplets into the dielectric phase. The presence of conducting droplets alters the spatial structure from a Taylor cone located centric below the pin electrode to a surface depression, where the interface moves away from the electrode and cones emerge from the rim. By experimentally characterizing a submerged electrospray and using additional numerical modeling, it is shown that the droplets induce a flow in the dielectric liquid, which is responsible for the change of the spatial structure of the instability.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Elektrohydrodynamik (EHD) ist das Forschungsgebiet, das sich mit den Wechselwirkungen zwischen Strömungen und elektrischen Feldern befasst. In leitenden Flüssigkeiten sind Ladungen auf dünne Schichten in der Nähe von Grenzflächen mit stark ausgeprägten EHD-Effekten beschränkt. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Phänomene untersucht, in denen fluide Grenzflächen durch elektrische Felder beeinflusst werden.

Elektroosmose beschreibt die Flüssigkeitsströmung aufgrund von elektrischen Feldern, die auf Ladungen in der Nähe einer Grenzfläche wirken. Wenn eine Flüssigkeit in Kontakt mit einer mikrostrukturierten, superhydrophoben Oberfläche ist, können zusätzliche Ladungen an der eingeschlossenen Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche durch eine Gate-Elektrode unter der Oberfläche induziert werden. In dieser Arbeit wird die Herstellung einer superhydrophoben Oberfläche mit Mikro- und Nanostrukturen beschrieben. Neben der Induktion von Ladungen übt eine Gate-Elektrode eine Kraft auf die Grenzfläche aus, die den Benetzungszustand beeinflusst. Experimentell wird mittels Lichtmikroskopie die Stabilität der Benetzungszustände charakterisiert, welche an hierarchischen Oberflächen ein kontinuierliches Spektrum aufweisen.

Durch eine räumlich variierende elektroosmotische Strömung können komplexe höhengemittelte Strömungsfelder in einer Hele-Shaw Zelle induziert werden, die durch einen geringen Wandabstand im Vergleich zu einer typischen lateralen Längenskala gekennzeichnet ist. Die Bestimmungsgleichungen für das Strömungsfeld werden abgeleitet, welche sowohl stationäre als auch oszillierende elektrische Felder berücksichtigen.

Das Geschwindigkeitsfeld wird experimentell über einer kreisförmigen Gate-Elektrode in einem mikrofluidischen Kanal mit Hilfe partikelgestützter Geschwindigkeitsmessungen charakterisiert. Außerdem wird die Fähigkeit zur Erzeugung komplexer Strömungsfelder experimentell demonstriert. Um die Strömungen in Hele-Shaw-Zellen für biochemische Anwendungen nutzen zu können, wird ein höhengemitteltes Transportmodell für eine passive chemische Spezies mit Hilfe einer Störungsrechnung abgeleitet, welches Advektion, Diffusion und Dispersion berücksichtigt. Die Dispersion wird durch einen nicht-isotropen Dispersionstensor abgebildet. Das höhengemittelte Modell zeigt eine gute Übereinstimmung mit 3D-Simulationen, und abschließend werden mögliche Anwendungen diskutiert.

Elektrische Felder üben Kräfte auf fluide Grenzflächen aus, und in dieser Arbeit werden zwei EHD-Instabilitäten an der Grenzfläche zwischen einer dielektrischen und einer leitenden Flüssigkeit untersucht. Beim Anlegen eines räumlich homogenen, harmonisch oszillierenden elektrischen Feldes tritt oberhalb einer kritischen Amplitude eine resonante Antwort der Grenzfläche auf. In einem Versuchsaufbau mit einer kreisförmigen Berandung wird die räumliche Struktur der Instabilität untersucht, welche mit Hilfe der Lichtbrechung an der Grenzfläche extrahiert wird. Die resultierenden Wellenlängen und Instabilitätsmoden zeigen eine gute Übereinstimmung mit einem analytischen Modell. Außerdem wird der Einfluss der Berandung untersucht.

Beim Anlegen eines räumlich inhomogenen, aber zeitlich konstanten elektrischen Feldes wird die Grenzfläche oberhalb einer kritischen Spannung instabil und emittiert Tropfen in die dielektrische Phase. Die geladenen Tropfen ändern die räumliche Struktur der Instabilität von einem Taylor-Konus, welcher sich mittig unter der Stiftelektrode befindet, zu einer Senke, in welcher sich die Grenzfläche von der Elektrode wegbewegt und zusätzliche Instabilitäten am Rand hervortreten. Experimente mit einem eingetauchten Elektrospray sowie zusätzliche numerische Modellbildung zeigen, dass die Tropfen eine Strömung in der dielektrischen Phase hervorrufen, welche für die Änderung der räumlichen Struktur der Instabilität verantwortlich ist.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 211 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Nano- and Microfluidics (NMF)
Date Deposited: 28 Jan 2022 10:12
Last Modified: 28 Jan 2022 10:12
DOI: 10.26083/tuprints-00019812
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198128
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen ; Bercovici, Prof. Dr. Moran
Date of oral examination: 19 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19812
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