אלקטרו-אוסמוזה

אלקטרו-אוסמוזה (או זרימה אלקטרו-אוסמוטית) היא תנועה של זורם עקב הפעלת שדה חשמלי בצינור קפילרי, ממברנות או מיקרו-תעלות. חשיבותה של תופעה זו נובעת מכך שגודל המהירות בזרימה אלקטרו-אוסמוטית תלוי באופן ליניארי בעוצמת השדה שהופעל, בחומר ממנו עשויה התעלה ובתכונות של הנוזל, אך לא בממדי התעלה. אלקטרו-אוסמוזה היא מרכיב חיוני בטכניקות הפרדה כימיות, בעיקר באלקטרופורזה קפילרית. אלקטרו-אוסמוזה יכולה להתרחש במים לא מסוננים טבעיים, וגם בתמיסות בופר.

איור סכמטי של זרימה אלקטרו-אוסמוטית

היסטוריה

אולקטרו-אוסמוזה מתרחשת בין כל אלקוטרוליט ומוצק מבודד

תופעת אלקטרו-אוסמוזה תוארה לראשונה בשנת 1809 על ידי פ. פ. רויס מאגודת מוסקבה לחקר טבע (רוסית: Московское общество испытателей природы).

הוא הראה כי מים יכולים לזרום דרך פקק העשוי מחרסינה כתוצאה מהפעלת מתח חשמלי. חרסינה מורכבת מחלקיקים צפופים של סיליקה ומינרלים אחרים, ומים זורמים ברווחים הצרים שבין חלקיקים אלה בדיוק כפי שזה היה קורה דרך שפופרת זכוכית. כל שילוב של אלקטרוליט (נוזל המכיל יונים חופשיים) ומוצק מבודד יגרום לאלקטרו-אוסמוזה, אך לשילוב של מים וסיליקה ההשפעה של האפקט היא ניכרת במיוחד, אם כי מתקבלות בדרך כלל מהירויות זרימה נמוכות - רק כמה מילימטרים לשנייה.

הגורם להיווצרות הזרימה

בגלל שיווי המשקל הכימי הקיים בין משטח המוצק ותמיסת האלקטרוליט נוצרת שכבה של יונים ניידים בעלי מטען חשמלי קבוע קרוב למשטח המוצק, המכונה השכבה החשמלית הכפולה (ראו Electrical double layer). כאשר מופעל שדה חשמלי המטען החשמלי בשכבה החשמלית הכפולה מתחיל לנוע הודות לכוח קולון וגורם לזרימה של כל הנוזל. זאת הסיבה למקור השם: אלקטרו-אוסמוזה.

משוואות הזרימה לזרימה אלקטרו-אוסמוטית

נכתוב את משוואות נאוויה-סטוקס ואת משואת הרציפות למקרה של אלקטרו-אוסמוזה. עבור נוזל בלתי-דחיס:
משוואת הרציפות היא:

$\nabla \cdot {\vec {U}}=0$

משוואת התנע, בכתיב וקטורי, קרוב למשטח:

$\rho {\frac {D{\vec {U}}}{Dt}}=-\nabla p+\mu {{\nabla }^{2}}{\vec {U}}+{{\rho }_{E}}{{\vec {E}}_{ext}}$

כאשר ${\vec {U}}$ מהירות הנוזל, $\rho$ צפיפות הנוזל, $\mu$ צמיגות הנוזל, ${\frac {D{\vec {U}}}{Dt}}$ נגזרת מלווה, ${{\rho }_{E}}$ צפיפות המטען החשמלי בשכבה חשמלית הכפולה ו${{\vec {E}}_{ext}}$ עוצמת השדה החשמלי ו-p הוא הלחץ
כמו כן מתקיים: ${{\vec {E}}_{ext}}=-\nabla (\phi +\psi )$ כאשר $\phi$ הוא פוטנציאל חשמלי הודות לשדה חיצוני שהופעל ו$\psi$ הוא פוטנציאל זטה על פני המשטח המוצק.

בנוסף מתקיימת משוואת לפלס המתארת את הפוטנציאל החשמלי הודות לשדה חיצוני שהופעל:

${{\nabla }^{2}}\phi =0$

כמו כן, מתקיימת משוואת פואסון המתארת את הפוטנציאל החשמלי הודות לשדה הפנימי שנובע מפוטנציאל זטה:

${{\nabla }^{2}}\psi =-{\frac {{\rho }_{E}}{\varepsilon }}$ כאשר $\varepsilon$ הוא קבוע דיאלקטרי.

• עבור מקרה חד־ממדי נקבל שהמהירות רחוק מהמשטח היא קבועה ואחידה בחתך:

$u=-{\frac {\varepsilon \xi }{\mu }}E$ כאשר $\xi$ הוא סימון חילופי לפוטנציאל זטה. הביטוי האחרון נקרא משוואת הלמולץ-שמולוצ'ובסקי.

• נהוג להגדיר את המוביליות האלקטרו-אוסמוטית בצורה הבאה:

${{\mu }_{EO}}=-{\frac {\varepsilon \xi }{\mu }}$ ואז מקבלים שעבור מוביליות קבועה - המהירות יחסית לעוצמת השדה שהופעל: $u={{\mu }_{EO}}E$.

• הסדר גודל של מוביליות,${{\mu }_{EO}}$, הוא ${{10}^{-8}}[{\frac {{m}^{2}}{V}}]$.

שימושים

בתופעת הזרימה האלקטרו-אוסמטית נעשה שימוש במכשירים של מיקרו-זרימה (ראו מיקרופלואידיקה), אנליזה ועיבוד של קרקע ואנליזה כימית, והמאפיין המייחד של כל המערכות האלו הוא נוכחות של משטחים טעונים, העשויים בדרך כלל מתחמוצת. להלן מספר שימושים:

• אחד היישומים הבולטים של שימוש באלקטרו-אוסמוזה במכשירים של מיקרופלואידיקה הוא לצורך מחקר רפואי. אחד הקשיים של מחקר רפואי הוא ערבוב והפרדה של נוזלים ברמה האטומית. הבנה טובה יותר של בקרת הזרימה על ידי אלקטרו-אוסמוזה תעזור לחוקרים לערבב ולהפריד נוזלים, מה שיכול לתרום רבות למחקר המיקרוביולוגי והפרמקולוגי.
• משאבה אלקטרו-אוסמוטית (ראו Electroosmotic pump) הא מכשיר הגורם להיווצרות זרימה או מפל לחץ עקב הפעלת שדה חשמלי. אחד משימושי משאבה אלקטרו-אוסמוטית הוא שאיבת מים מאזורים מוצפים.
• משתמשים באלקטרו-אוסמוזה לייבוש של כבול, חומר שמשמש כחומר דלק במדינות רבות.
• בתא דלק אפקט האלקטרו-אוסמוזה גורם לפרוטונים לנוע דרך ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM) על ידי כך להעברת של מולקולות מים מאנודה לקתודה.

ראו גם

• אלקטרופורזה
• פוטנציאל זטה
• מיקרופלואידיקה
• Electroosmotic pump
• Electrical double layer

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אלקטרו-אוסמוזה בוויקישיתוף