विद्युत असमस

इलेक्ट्रोस्मोटिक फ्लो (या इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक फ्लो, अक्सर संक्षिप्त ईओएफ; इलेक्ट्रोस्मोसिस या इलेक्ट्रोएन्डोसमोसिस का पर्यायवाची) एक झरझरा सामग्री, केशिका ट्यूब, झिल्ली, माइक्रोचैनल, या किसी अन्य द्रव नाली में एक लागू क्षमता से प्रेरित तरल की गति है। क्योंकि इलेक्ट्रोस्मोटिक वेग नाली के आकार से स्वतंत्र होते हैं, जब तक कि विद्युत दोहरी परत चैनल की विशेषता लंबाई के पैमाने से बहुत छोटी होती है, इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह का बहुत कम प्रभाव पड़ेगा। छोटे चैनलों में इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह सबसे महत्वपूर्ण होता है। इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह रासायनिक पृथक्करण तकनीकों में एक आवश्यक घटक है, विशेष रूप से केशिका वैद्युतकणसंचलन। इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह प्राकृतिक अनफ़िल्टर्ड पानी के साथ-साथ बफर द्रावण में भी हो सकता है।

चित्र:विद्युत्परासारी प्रवाह चित्रण.tiff|thumb

इतिहास

इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रवाह पहली बार 1807 में फर्डिनेंड फ्रेडरिक रीस (18 फरवरी 1778 (ट्यूबिंगन, जर्मनी) - 14 अप्रैल 1852 (स्टटगार्ट, जर्मनी)) द्वारा रिपोर्ट किया गया था।^[1] मॉस्को की फिजिकल-मेडिकल सोसायटी के समक्ष एक अप्रकाशित व्याख्यान में;^[2] Reuss ने पहली बार 1809 में मॉस्को के मास्को के प्रकृतिवादियों की इंपीरियल सोसायटी में इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक प्रवाह का एक लेख प्रकाशित किया था।^[3]^[4] उन्होंने दिखाया कि विद्युत वोल्टेज लगाकर मिट्टी के एक प्लग के माध्यम से पानी को प्रवाहित किया जा सकता है। मिट्टी सिलिका और अन्य खनिजों के सघन कणों से बनी होती है, और पानी इन कणों के बीच की संकरी जगहों से वैसे ही बहता है जैसे यह एक संकीर्ण कांच की नली के माध्यम से बहता है। इलेक्ट्रोलाइट (एक तरल पदार्थ जिसमें घुले हुए आयन होते हैं) और एक इंसुलेटिंग सॉलिड का कोई भी संयोजन इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक प्रवाह उत्पन्न करेगा, हालांकि पानी/सिलिका के लिए प्रभाव विशेष रूप से बड़ा है। फिर भी, प्रवाह की गति आमतौर पर केवल कुछ मिलीमीटर प्रति सेकंड होती है।

इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस की खोज 1814 में अंग्रेजी रसायनज्ञ रॉबर्ट पोरेट द्वारा स्वतंत्र रूप से की गई थी। रॉबर्ट पोरेट जूनियर (1783-1868)।^[5]^[6]

कारण

इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह एक समाधान में शुद्ध मोबाइल विद्युत आवेश पर विद्युत क्षेत्र द्वारा प्रेरित कूलम्ब बल के कारण होता है। क्योंकि एक ठोस सतह और एक इलेक्ट्रोलाइट समाधान के बीच रासायनिक संतुलन आमतौर पर एक शुद्ध निश्चित विद्युत आवेश प्राप्त करने वाले इंटरफ़ेस की ओर जाता है, मोबाइल आयनों की एक परत, जिसे विद्युत डबल परत या डेबी परत के रूप में जाना जाता है, इंटरफ़ेस के पास के क्षेत्र में बनती है। जब एक विद्युत क्षेत्र को द्रव पर लागू किया जाता है (आमतौर पर इनलेट्स और आउटलेट्स पर रखे इलेक्ट्रोड के माध्यम से), विद्युत डबल परत में शुद्ध आवेश परिणामी कूलम्ब बल द्वारा स्थानांतरित करने के लिए प्रेरित होता है। परिणामी प्रवाह को इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह कहा जाता है।

विवरण

वोल्टेज लगाने से परिणामी प्रवाह एक प्लग प्रवाह है। एक दबाव अंतर से उत्पन्न परवलयिक प्रोफ़ाइल प्रवाह के विपरीत, एक प्लग प्रवाह का वेग प्रोफ़ाइल लगभग प्लानर होता है, जिसमें विद्युत दोहरी परत के पास थोड़ी भिन्नता होती है। यह काफी कम हानिकारक फैलाव प्रभाव प्रदान करता है और वाल्व के बिना नियंत्रित किया जा सकता है, द्रव पृथक्करण के लिए एक उच्च-प्रदर्शन विधि की पेशकश करता है, हालांकि कई जटिल कारक इस नियंत्रण को कठिन साबित करते हैं। माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में प्रवाह को मापने और निगरानी करने में कठिनाइयों के कारण, मुख्य रूप से प्रवाह पैटर्न को बाधित करना, अधिकांश विश्लेषण संख्यात्मक तरीकों और अनुकरण के माध्यम से किया जाता है।^[7] माइक्रोचैनल्स के माध्यम से इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह को नवियर-स्टोक्स समीकरण के बाद विद्युत क्षेत्र और दबाव अंतर से उत्पन्न होने वाली ड्राइविंग बल के साथ तैयार किया जा सकता है। इस प्रकार यह निरंतरता समीकरण द्वारा शासित है

\nabla \cdot \mathbf {U} =0

और गति

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

कहाँ $U$ वेग वेक्टर है, $ρ$ द्रव का घनत्व है, $D/Dt$ सामग्री व्युत्पन्न है, $μ$ द्रव की चिपचिपाहट है, $ρ e$ विद्युत आवेश घनत्व है, $ϕ$ लागू विद्युत क्षेत्र है, $ψ$ दीवारों पर जीटा क्षमता के कारण विद्युत क्षेत्र है और $p$ तरल दबाव है।

लाप्लास का समीकरण बाहरी विद्युत क्षेत्र का वर्णन कर सकता है

\nabla ^{2}\phi =0,

जबकि विद्युत दोहरी परत के भीतर की क्षमता किसके द्वारा नियंत्रित होती है

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

कहाँ $ε$ इलेक्ट्रोलाइट समाधान का ढांकता हुआ स्थिरांक है और $ε 0$ निर्वात पारगम्यता है। Debye-Hückel theory|Debye-Hückel सन्निकटन का उपयोग करके इस समीकरण को और सरल बनाया जा सकता है

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

कहाँ $1 / k$ डिबाई लंबाई है, जिसका उपयोग इलेक्ट्रिक डबल परत की विशिष्ट मोटाई का वर्णन करने के लिए किया जाता है। दोहरी परत के भीतर संभावित क्षेत्र के समीकरणों को इस रूप में जोड़ा जा सकता है

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

अंतरिक्ष में आयनों के परिवहन को नर्नस्ट-प्लैंक समीकरण का उपयोग करके प्रतिरूपित किया जा सकता है:^[8]

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

कहाँ $\ c$ आयन एकाग्रता है, ${\bf {A}}$ चुंबकीय वेक्टर क्षमता है, $D$ रासायनिक प्रजातियों का द्रव्यमान प्रसार है, $z$ आयनिक प्रजातियों की वैलेंस है, $e$ प्राथमिक शुल्क है, $k_{\text{B}}$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, और $T$ थर्मोडायनामिक तापमान है।

अनुप्रयोग

इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रवाह आमतौर पर microfluidic उपकरणों में उपयोग किया जाता है,^[9]^[10] मिट्टी विश्लेषण और प्रसंस्करण,^[11] और रासायनिक विश्लेषण,^[12] जिनमें से सभी नियमित रूप से अत्यधिक आवेशित सतहों वाले सिस्टम को शामिल करते हैं, अक्सर ऑक्साइड के। एक उदाहरण केशिका वैद्युतकणसंचलन है,^[10]^[12]जिसमें आमतौर पर सिलिका से बनी एक संकीर्ण केशिका में विद्युत क्षेत्र को लागू करके उनकी इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता के अनुसार रसायनों को अलग करने के लिए विद्युत क्षेत्रों का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रोफोरेटिक अलगाव में, इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह एनालिटिक्स के क्षालन समय को प्रभावित करता है।

एक जंक्शन के माध्यम से द्रव प्रवाह को इलेक्ट्रॉनिक रूप से नियंत्रित करने के लिए फ्लोएफईटी में इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रवाह को क्रियान्वित किया जाता है।

यह अनुमान लगाया गया है कि इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह का उपयोग करने वाले माइक्रो फ्लुइडिक उपकरणों के चिकित्सा अनुसंधान में अनुप्रयोग होंगे। एक बार जब इस प्रवाह को नियंत्रित करना बेहतर ढंग से समझा और लागू किया जाता है, तो परमाणु स्तर पर तरल पदार्थों को अलग करने की क्षमता ड्रग डिस्चार्जर्स के लिए एक महत्वपूर्ण घटक होगा।^[13] सूक्ष्म पैमाने पर तरल पदार्थ मिलाना वर्तमान में परेशानी भरा है। ऐसा माना जाता है कि विद्युत नियंत्रित तरल पदार्थ वह विधि होगी जिसमें छोटे तरल पदार्थ मिश्रित होते हैं।^[13]

इलेक्ट्रो-आसमाटिक प्रणालियों का एक विवादास्पद उपयोग इमारतों की दीवारों में बढ़ती नमी का नियंत्रण है।^[14] जबकि यह सुझाव देने के लिए बहुत कम सबूत हैं कि ये प्रणालियाँ दीवारों में लवण को स्थानांतरित करने में उपयोगी हो सकती हैं, ऐसी प्रणालियों को बहुत मोटी दीवारों वाली संरचनाओं में विशेष रूप से प्रभावी होने का दावा किया जाता है। हालाँकि कुछ का दावा है कि उन प्रणालियों का कोई वैज्ञानिक आधार नहीं है, और उनकी विफलता के लिए कई उदाहरण देते हैं।^[15] इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस का उपयोग विद्युत क्षेत्रों के बजाय रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा संचालित स्व-पंपिंग छिद्रों के लिए भी किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण, का उपयोग कर H₂O₂, प्रदर्शित किया गया है <रेफरी नाम = जून हेस 2010 पीपी। 4823–4825 >{{cite journal | last1=Jun | first1=In-Kook | last2=Hess | first2=Henry | title=एक बायोमिमेटिक, सेल्फ-पंपिंग मेम्ब्रेन| journal=Advanced Materials | publisher=Wiley | volume=22 | issue=43 | date=2010-09-13 | issn=0935-9648 | doi=10.1002/adma.201001694 | pages=4823–4825| pmid=20839247 | bibcode=2010AdM....22.4823J | s2cid=205237530 }</ref> और नर्नस्ट-प्लैंक-स्टोक्स समीकरणों के साथ मॉडलिंग की। रेफरी नाम= फैंगसेल्फपंपिंग2022 >Fang, Yuhang; Wereley, Steven T.; Moran, Jeffrey L.; Warsinger, David M. (2022). "इलेक्ट्रिक डबल लेयर ओवरलैप जानूस इलेक्ट्रोकैटलिटिक सेल्फ-पंपिंग मेम्ब्रेन में प्रवाह दर को सीमित करता है". Electrochimica Acta. Elsevier BV. 426: 140762. doi:10.1016/j.electacta.2022.140762. ISSN 0013-4686. S2CID 250039217.</ref>

भौतिकी

ईंधन कोशिकाओं में, इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस एक [[प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन]] (पीईएम) के माध्यम से पानी के अणुओं को एक तरफ (एनोड) से दूसरे (कैथोड) तक खींचने के लिए प्रोटॉन का कारण बनता है।

संवहनी पौधे जीव विज्ञान

वैस्कुलर प्लांट बायोलॉजी में, इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस का उपयोग फ्लाएम के माध्यम से ध्रुवीय तरल पदार्थों के संचलन के लिए एक वैकल्पिक या पूरक स्पष्टीकरण के रूप में किया जाता है जो द्रव्यमान प्रवाह परिकल्पना और अन्य, जैसे साइटोप्लाज्मिक स्ट्रीमिंग में आपूर्ति किए गए सामंजस्य-तनाव सिद्धांत से भिन्न होता है।^[16] फ्लोएम # साथी कोशिकाएं आयनों के चक्रीय प्रत्याहार में शामिल होती हैं (K⁺) छलनी ट्यूबों से, और उनका स्राव छलनी प्लेटों के बीच निकासी की उनकी स्थिति के समानांतर होता है, जिसके परिणामस्वरूप दबाव में संभावित अंतर के साथ छलनी प्लेट तत्वों का ध्रुवीकरण होता है, और परिणामस्वरूप ध्रुवीय पानी के अणु और अन्य विलेय मौजूद होते हैं जो ऊपर की ओर बढ़ते हैं फ्लोएम।^[16]

2003 में, सेंट पीटर्सबर्ग विश्वविद्यालय के स्नातकों ने एक वर्षीय लिंडेन शूट के साथ मक्के की पौध के मेसोकोटाइल के 10 मिमी खंडों में प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह लागू किया; ऊतकों में मौजूद इलेक्ट्रोलाइट समाधान कैथोड की ओर चले गए जो कि जगह पर थे, यह सुझाव देते हुए कि इलेक्ट्रो-ऑस्मोसिस प्रवाहकीय पौधों के ऊतकों के माध्यम से समाधान परिवहन में भूमिका निभा सकता है।^[17]

नुकसान

इलेक्ट्रोलाइट में एक विद्युत क्षेत्र को बनाए रखने के लिए एनोड और कैथोड पर होने वाली फैराडिक वर्तमान प्रतिक्रियाओं की आवश्यकता होती है। यह आमतौर पर पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड, हाइड्रोजन आयन (एसिड) और हीड्राकसीड (बेस) के साथ-साथ ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस के बुलबुले उत्पन्न करता है। उत्पन्न हाइड्रोजन पेरोक्साइड और/या पीएच परिवर्तन जैविक कोशिकाओं और प्रोटीन जैसे जैव अणुओं को प्रतिकूल रूप से प्रभावित कर सकते हैं, जबकि गैस के बुलबुले microfluidics सिस्टम को रोकते हैं। संयुग्मित प्रणाली जैसे वैकल्पिक इलेक्ट्रोड सामग्री का उपयोग करके इन समस्याओं को कम किया जा सकता है जो स्वयं फैराडिक प्रतिक्रियाओं से गुजर सकते हैं, नाटकीय रूप से इलेक्ट्रोलिसिस को कम कर सकते हैं।^[18]

यह भी देखें

भूतल प्रभार
केशिका वैद्युतकणसंचलन
इलेक्ट्रिकल डबल लेयर
स्ट्रीमिंग करंट
प्रेरित-चार्ज इलेक्ट्रोकाइनेटिक्स
स्ट्रीमिंग क्षमता
ज़ीटा पोटेंशियल
इलेक्ट्रोस्मोटिक पंप
इलेक्ट्रिकल डबल लेयर
माइक्रोफ्लुइडिक्स
इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री

संदर्भ

↑ Biographical information about F.F. Reuss is available (in German) at: Deutsche Biographie
↑ A notice of Reuss' lecture appeared in: Reuss, F.F. (November 1807). "Indicium de novo hucusque nondum cognito effectu electricitatis galvanicae" [Notice of a new, hitherto unknown effect of galvanic electricity]. Commentationes Societatis Physico-medicae, Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae (Memoirs of the Physical-Medical Society, Instituted at the Moscow Imperial University of Letters) (in Latin). 1, pt. 1: xxxix.{{cite journal}}: CS1 maint: unrecognized language (link) Available at: Österreichische Nationalbibliothek (Austrian National Library)
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अग्रिम पठन

Bell, F.G. (2000). Engineering Properties of Soils and Rocks, 4th ed.
Chang, H.C.; Yao, L. (2009). Electrokinetically Driven Microfluidics and Nanofluidics.
Levich, V. (1962). Physicochemical Hydrodynamics. ISBN 978-0-903012-40-9.
Probstein, R.F. (2003). Physicochemical Hydrodynamics: an introduction, 2nd ed.

[1] Biographical information about F.F. Reuss is available (in German) at: Deutsche Biographie

[2] A notice of Reuss' lecture appeared in: Reuss, F.F. (November 1807). "Indicium de novo hucusque nondum cognito effectu electricitatis galvanicae" [Notice of a new, hitherto unknown effect of galvanic electricity]. Commentationes Societatis Physico-medicae, Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae (Memoirs of the Physical-Medical Society, Instituted at the Moscow Imperial University of Letters) (in Latin). 1, pt. 1: xxxix.{{cite journal}}: CS1 maint: unrecognized language (link) Available at: Österreichische Nationalbibliothek (Austrian National Library)

[3] Reuss, F. F. (1809). "Notice sur un nouvel effet de l'électricité galvanique" [Notice of a new effect of galvanic electricity]. Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou (in French). 2: 327–337.{{cite journal}}: CS1 maint: unrecognized language (link)

[4] Biscombe, Christian J.C. (2017). "The discovery of electrokinetic phenomena: setting the record straight". Angewandte Chemie International Edition. 56 (29): 8338–8340. doi:10.1002/anie.201608536. PMID 27902877. Available at: Wiley.com

[5] Porrett, R. Jr. (1816). "जिज्ञासु गैल्वेनिक प्रयोग". Annals of Philosophy. 8: 74–76.

[6] (Biscombe, 2017), p. 8339.

[7] Yao, G.F. (2003). "A computational model for simulation of electroosmotic flow in microsystems" (PDF). Technical Proceedings of the 2003 Nanotechnology Conference and Trade Show [23–27 February 2003; San Francisco, California]. Vol. 1. Boston, Massachusetts, U.S.A.: Computational Publications. pp. 218–221. ISBN 978-0-9728422-0-4.

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[15] "Electro Osmosis Damp Proofing systems – fraud, or the perfect solution to damp – you decide!".

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[17] Polevoi, V. V. (2003). "प्लांट टिश्यू में इलेक्ट्रोस्मोटिक फेनोमेना". Biology Bulletin. 30 (2): 133–139. doi:10.1023/A:1023285121361. S2CID 5036421.

[18] Erlandsson, P. G.; Robinson, N. D. (2011). "इलेक्ट्रोकाइनेटिक उपकरणों के लिए इलेक्ट्रोलिसिस-कम करने वाले इलेक्ट्रोड". Electrophoresis. 32 (6–7): 784–790. doi:10.1002/elps.201000617. PMID 21425174. S2CID 1045087.

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