電気浸透

化学において、電気浸透流（EOF、ハイフンは任意、電気浸透または電気浸透と同義）は、多孔質材料、毛細管、膜、マイクロチャネル、またはその他の流体導管を横切る印加電位によって引き起こされる液体の動きです。電気浸透速度は導管のサイズに依存しないため、電気二重層がチャネルの特性長さスケールよりもはるかに小さい限り、電気浸透流はほとんど影響しません。電気浸透流は小さなチャネルで最も重要であり、化学分離技術、特にキャピラリー電気泳動に不可欠な要素です。電気浸透流は、緩衝溶液だけでなく、濾過されていない天然水でも発生する可能性があります。

電気浸透流は、1807年にフェルディナント・フリードリヒ・ロイス（1778年2月18日（ドイツ、テュービンゲン）- 1852年4月14日（ドイツ、シュトゥットガルト））^[1]がモスクワ物理医学会での未発表の講演で初めて報告しました。 ^{[2]ロイスは1809年に}モスクワ帝国博物学会紀要で初めて電気浸透流について発表しました。^{[3] [4]彼は、電圧をかけることで}粘土の塊に水を流すことができることを示しました。粘土はシリカやその他の鉱物の粒子が密集してできており、水は狭いガラス管の中と同じようにこれらの粒子の間の狭い空間を流れます。電解質（溶解したイオンを含む液体）と絶縁性固体のどのような組み合わせでも電気浸透流を発生させることができますが、水/シリカの場合にその効果は特に大きくなります。それでも、流速は通常、毎秒数ミリメートルに過ぎません。

電気浸透は1814年にイギリスの化学者ロバート・ポレット・ジュニア（1783-1868）によって独立して発見されました。^{[5] [6]}

電気浸透流は、溶液内の正味可動電荷に電界が及ぼすクーロン力によって発生します。固体表面と電解質溶液間の化学平衡により、通常、界面は正味固定電荷を獲得するため、界面付近の領域に電気二重層またはデバイ層と呼ばれる可動イオン層が形成されます。流体に電界が適用される場合 (通常は入口と出口に配置された電極を介して)、電気二重層の正味電荷は、結果として生じるクーロン力によって移動するように誘導されます。結果として生じる流れは、電気浸透流と呼ばれます。

電圧を印加することで生じる流れはプラグフローである。圧力差から生成される放物線状のプロファイルの流れとは異なり、プラグフローの速度プロファイルはほぼ平面であり、電気二重層の近くでわずかに変化する。これにより、有害な分散効果が大幅に少なくなり、バルブなしで制御できるため、流体分離のための高性能な方法となるが、多くの複雑な要因によりこの制御は困難であることが判明している。マイクロ流体チャネル内の流れの測定と監視は困難であり、主にフローパターンが乱れるため、ほとんどの分析は数値的手法とシミュレーションによって行われている。^[7]

マイクロチャネルを通る電気浸透流は、電界と圧力差から生じる駆動力を持つナビエ・ストークス方程式に従ってモデル化することができる。したがって、それは連続方程式によって支配される。

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {U} =0}$

そして勢い

${\displaystyle \rho {\frac {D\mathbf {U} }{Dt}}=-\nabla p+\mu \nabla ^{2}\mathbf {U} +\rho _{e}\nabla \left( \psi +\phi \right),}$

ここで、Uは速度ベクトル、ρは流体の密度、は物質微分、μは流体の粘度、ρ _eは電荷密度、ϕは印加電界、ψ は壁面のゼータ電位による電界、 p は流体圧力です。 ${\displaystyle D/Dt}$

ラプラス方程式は外部電場を記述できる

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

一方、電気二重層内の電位は

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi ={\frac {-\rho _{e}}{\epsilon \epsilon _{0}}},}$

ここでεは電解質溶液の誘電率、ε _{0 は}真空誘電率である。この式はデバイ・ヒュッケル近似を用いてさらに簡略化することができる。

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi =k^{2}\psi ,}$

ここで、1 / kはデバイ長であり、電気二重層の特性厚さを表すのに用いられる。二重層内の電位場の方程式は次のように組み合わせることができる。

${\displaystyle \rho _{e}=-\epsilon \epsilon _{0}k^{2}\psi .}$

宇宙におけるイオンの輸送はネルンスト・プランク方程式を用いてモデル化することができる：^[8]

${\displaystyle {\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla cc{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]}$

ここで、はイオン濃度、は磁気ベクトルポテンシャル、は化学種の拡散率、はイオン種の価数、は素電荷、はボルツマン定数、は絶対温度です。 ${\displaystyle \c}$${\displaystyle {\bf {A}}}$${\displaystyle D}$${\displaystyle z}$${\displaystyle e}$${\displaystyle k_{\text{B}}}$${\displaystyle T}$

電気浸透流は、マイクロ流体デバイス^{[9] [10]、}土壌分析および処理^[11]、化学分析^[12]で一般的に使用されています。これらはすべて、酸化物であることが多い高度に帯電した表面を持つシステムを日常的に含みます。1つの例はキャピラリー電気泳動であり、^{[10] [12] 、通常は}シリカでできた細いキャピラリーに電界を印加することにより、電界を使用して化学物質を電気泳動移動度に応じて分離します。電気泳動分離では、電気浸透流が分析物の 溶出時間に影響します。

FlowFETで電気浸透流が作動し、接合部を通る流体の流れを電子的に制御します。

電気浸透流を利用したマイクロ流体デバイスは、医療研究に応用されると予測されています。この流れの制御がよりよく理解され、実装されると、原子レベルで流体を分離する能力は、薬物放出装置にとって不可欠な要素になります。^[13]マイクロスケールでの流体の混合は現在困難です。電気的に流体を制御することが、小さな流体を混合する方法になると考えられています。^[13]

電気浸透システムの議論の多い用途は、建物の壁の湿気上昇の制御です。^[14]これらのシステムが壁の塩分移動に役立つことを示唆する証拠はほとんどありませんが、このようなシステムは壁が非常に厚い構造物で特に効果的であると言われています。しかし、これらのシステムには科学的根拠がないと主張する人もおり、いくつかの失敗例を挙げています。^[15]

電気浸透は、電場ではなく化学反応によって動力を得る自己ポンプ細孔にも使用できます。H 2 O 2 を使用するこのアプローチは実証さ_れており^[16]、ネルンスト・プランク・ストークス方程式でモデル化されています。^[8]

燃料電池では、電気浸透により陽子が陽子交換膜(PEM)を通過し、水分子が一方 (アノード) からもう一方 (カソード) に引き寄せられます。

維管束植物生物学では、電気浸透は、質量流動仮説や細胞質流動などの他の理論で提示されている凝集張力理論とは異なる、師管を介した極性液体の移動の代替または補足的な説明としても使用されます。^[17]伴細胞は、篩管からのイオン（K ⁺ ）の「周期的な」引き出しと、篩板間の引き出し位置と平行なそれらの分泌に関与しており、その結果、圧力の電位差とともに篩板要素の分極が起こり、存在する極性水分子と他の溶質が師管を通って上方に移動します。^[17]

2003年、サンクトペテルブルク大学の卒業生らが、1年生の菩提樹の芽の横にあるトウモロコシの実生の中胚葉の10mmの断片に直流電流を流したところ、組織内に存在する電解質溶液がその場にあった陰極に向かって移動し、電気浸透が導電性植物組織を通る溶液輸送に役割を果たしている可能性が示唆された。^[18]

電解質内で電界を維持するには、陽極と陰極でファラデー反応が起こる必要がある。これは通常、水の電気分解であり、過酸化水素、水素イオン（酸）、水酸化物（塩基）、酸素と水素の気泡を生成する。生成された過酸化水素や pH の変化は、生物細胞やタンパク質などの生体分子に悪影響を及ぼす可能性があり、気泡はマイクロ流体システムを「詰まらせる」傾向がある。これらの問題は、ファラデー反応を起こすことができる共役ポリマーなどの代替電極材料を使用することで軽減でき、電気分解を大幅に削減できる。^[19]

ウィキメディア・コモンズには、電気浸透に関連するメディアがあります。

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• 電気化学

• Bell, FG (2000).土壌と岩石の工学的特性、第 4 版。
• Chang, HC; Yao, L. (2009).電気動力学的に駆動するマイクロ流体工学およびナノ流体工学。
• レヴィッチ、V. (1962)。物理化学流体力学。アドバンス出版。ISBN 978-0-903012-40-9。
• Probstein, RF (2003).物理化学流体力学入門、第 2 版。