基于[bmim]NTF2离子液体的MHD驱动

左 艳，万 静，杨俊强，黄一夫，梁忠诚

(南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046)



基于[bmim]NTF2离子液体的MHD驱动

左 艳，万 静，杨俊强，黄一夫，梁忠诚

(南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046)

针对离子液体在化学、物理领域较少现象，提出了离子液体可作为一种新型的流体材料应用于微流控芯片。离子液体驱动方法是基于磁流体力学(MHD)原理，采用电磁场相互作用所产生的洛伦兹力，直接作用于流体以驱动流体前进的驱动方式。为了能对离子液体的驱动现象进行直观的观测和验证，设计了电磁驱动下离子液体的流速测量实验。实验结果显示，离子液体在0.4 T稳恒磁场中，8 V直流电压下流量为7.8 μL/s。对比实验与理论结果，可知电磁场驱动下离子液体的运动规律，以此可促进离子液体在微流控技术和光电子器件等领域的应用。

磁流体力学；离子液体；驱动；洛伦兹力；流速

ZUO Yan, WAN Jing, YANG Junqiang, HUANG Yifu, LIANG Zhongcheng

(School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046, China)

微流控学和微流控光学属于多学科交叉领域，涉及了通信、生物工程和医药等[1]。一直以来，关于微流控芯片的研究主要集中于分离、检测体系方面，其实对应用于微流控芯片的新型材料的研究也较为重要。室温离子液体(RTILs)是一类可调的、多用途的新兴绿色材料[2-3]，与通常电解液相比具有一系列独特优点如高离子电导率、宽电化学窗口、热与电化学稳定性高等[4-6]。离子液体的驱动技术是其能否在微流控技术与光电子器件中应用的关键，因此提出了基于离子液体的MHD驱动，具有无机械移动装置、可双向泵浦、功耗低等优点，有利于其在光电子器件中应用。离子液体不同于电解质，关于其电化学性能仍存在诸多疑问，如离子液体在电磁场中是否能产生洛伦兹力；MHD驱动是否适合离子液体。所以从理论和实验方面研究了离子液体的MHD驱动，分析离子液体的电化学性能及在电磁场中的流动规律。

1 离子液体驱动理论

离子液体在电磁场中受到洛伦兹力驱动而整体流动,离子液体与电磁场的相互作用[12]如图1所示，其原理基于磁流体力学。离子液体中带电离子在电场作用下定向运动，磁场对定向运动的阴阳离子产生洛伦兹力，电磁场对流体的作用可通过磁流体动力学控制方程来表示。

图1 离子液体驱动原理图

磁流体动力学控制方程可通过经典的流体力学和电磁学计算，前者包括质量连续方程和Navier-Stokes方程，后者包括Maxwell方程、电流连续性方程等。在微系统中流体流动规律与宏观器件不同，流体的微流动可采用不可压缩的无滑移边界条件的N-S方程来描述[13]。实验中的离子液体流速是mm/s量级，B=0.4 T～0.5 T，据此建立物理模型，方程简化如下

(1)

▽·v=0

(2)

(3)

其中，J是电流密度；σ是电导率;E是电场强度；v是流体的速度；B是磁感应强度；ρ是流体密度；P为压强；η是黏度系数。

由泊肃叶定律可知，末端面与初始面的压差ΔP

(4)

根据泊肃叶定律推导出矩形截面流道的流量Q表达式

(5)

根据式(4)用Matlab软件仿真的常见5种离子液体的压差和流道宽度W之间的关系曲线，如图2所示。通道宽度范围是500～5 000 μm，T=298 K,Ve=5 V,B=0.5 T，电磁场有效作用区长度Le=20 mm，离子液体的电导率和粘度数据参考文献[14]。在电压5 V时，产生的压差可达1～40 P，这样的驱动力在微流控技术中已充足。从图中可知[bmim]BF4和[bmim]NTF2有较高的驱动力，而[bmim]NTF2化学性质相对更稳定，且具有电导率高、较低黏度等优点[15]，故文中选取[bmim]NTF2作为实验材料。

图2 5种离子液体压差和流道宽度的关系

利用Fluent软件基于磁流体力学及有限体积数值仿真法仿真的流场速度分布如图3所示。其中，流体相对固定壁无滑动，重力作用忽略不计，设Ve=8 V,B=0.4 T，有效电磁驱动区长80 mm，微流道长20 cm，高4 mm，宽4 mm。流场横截面速度分布图显示微通道的固定壁附近的流速迅速减小，而位于微通道中心较大区域流速稳定且有最大值，因而可在流道中心区观察其特征速率。

图3 微通道内流场横截面速度分布曲线

2 测量实验装置

由于离子液体[bmim]NTF2和金属产生剧烈的氧化还原反应，所以不选择铜片和石墨电极，而是玻碳电极，在电压较低时离子液体几乎不与其发生氧化还原反应。实验设计的流道为矩形截面，两个玻碳电极分别紧贴流道内壁，电极为8 cm×0.4 cm，流道内径4 mm，总长276 mm。电极通过流道侧壁中间的铅棒与外电源线连接，永久强磁铁(NdFeB)置于槽底部，如图4(a)所示。通过仿真分析，驱动实验可采用粒子示踪法测量流速，粒子选择的是微米级的空心玻璃珠。实验测试观察装置主要有读数显微镜、CCD摄像机、系统显示器和图像处理软件。将CCD数字相机采集到的数字图像信号进行保存、计算和传输到计算机中的功能是通过图像采集卡实现的，通过计算机图像处理技术捕捉粒子流动现象。

图4 离子液体MHD驱动流速测量装置示意图

3 实验结果与分析

实验显示仅几伏的电压也能驱动55 μL离子液体流动，在磁场为0.4 T、298 K温度下，施加8 V DC电压时捕捉到的粒子流动现象如图5所示，多次测量可得出此时流量为7.8 μL·s-1。逐步增大电压，当施加21 V DC电压时流量132 μL·s-1。实验还测得相同电压不同电场时流体的流量，将测量数据绘制成曲线图如图6所示。随着电压的增大，流速不断增大。可将流速曲线分为3个不同区域：一区是电压2～5 V时，流速处于一个缓慢而稳定的区域；二区是5～10 V时，流速随电压线性变化的区域；三区是10～14 V时，流速急剧增加，不再是线性变化。当电压高于14 V时，流速变得不稳定，或快或慢，此时离子液体的化学性质也逐渐变得不稳定。原因可能是在电压>14 V时离子液体部分分解，随着分解产物逐渐累积，改变了离子液体的导电性，从而导致流速不稳定。从图6中还可得到电场相同时，流速随磁场强度的增加而变化的规律，磁场强度越大，流速也相对越大。

图5 离子液体[bmim]NTF2在8 V、0.4 T下驱动现象

图6 不同磁场中[bmim]NTF2随电压变化的流量

将实验、理论及仿真数据进行比较如图7所示，实验数据为15～25 s较稳定态时测量的流速平均值。可看出低电压气泡较少时，仿真数据与实验值较吻合，流量与外加电压近似线性关系，但随着电压增大，气泡越发丰富，这种线性关系被破坏，测量值比仿真数据小。这是因气泡下不再是单一相，且气泡的漂流与膨胀会阻碍流体流动，这种现象与电解液MHD驱动情形类似。从图上还可看出，泊肃叶理论值和实验数据差距较大，原因主要是泊肃叶定律的压差阻力公式是一个近似值，不能完全反映分布在流道中的离子液体的流速。因此，泊肃叶定律并不适合离子液体MHD驱动研究。

图7 理论仿真数据和实验结果数据对比

实验中还可观察到，由于离子液体的黏性，投放的微粒不易成团，这有利于离子液体在微流控中的应用。为了形成实验对比，文中还对磷酸缓冲盐(PBS)溶液进行了MHD实验，通过PBS溶液流速实验发现流速随电压也有类似规律，刚开始流速稍慢，随着电压增加流速突增。相对于离子液体，PBS溶液流速稳定区域稍小，约在2.8～6.5 V之间。此外，离子液体产生的气泡小而密，PBS溶液因水分解产生的气泡大而丰富。理论上十几V的电压也能驱动，但由于电解产生的气泡过多，阻碍了液体流动，导致了电压>6 V后流速就较不稳定。通过实验比较，可得出离子液体因其自身的优点适合应用于MHD驱动。

4 结束语

本文提出离子液体是一种可应用于微流控技术和光电子器件的新类型流体材料，并从理论实验方面研究了一种基于MHD的离子液体驱动方法，主要结论如下：(1)利用离子液体化学性质优势，可基于MHD驱动流体流动，驱动时离子液体可是稳定的层流，其适度的粘性有助于稳定运输微粒，有利于其在微流控技术中应用；(2)从实验和理论数据比较可看出，泊肃叶定律并不适合研究微流体MHD驱动，反而有限体积数值法更适合。实验观察到直流稳恒MHD驱动时有气泡产生，采用交变电磁场驱动是避免气泡的一种有效方案，但装置比直流稳恒MHD驱动复杂，成本稍高。现存的一个问题是离子液体电导率和黏度对温度敏感，随环境温度变化，这是应用中必须考虑的。

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MHD Drive Based on the Ionic Liquid [bmim]NTF2

Ionic liquids are mainly applied in the field of chemistry and rarely applied as physical material. In this paper, ionic liquids are used as a new type of fluid material for microfluidic. We propose a novel method for driving an ionic liquid based on the principle of magnetic hydrodynamics. In order to visually observe and study the flow phenomenon of ionic liquids, we designed two experiments: the driving force measurement and the ionic liquid flow velocity measurement. Experimental results show that the flow rates are 7.8 μl/s at applied direct-current potentials of 8V in a 0.4T magnetic field. The experimental results are compared with theoretical results to show the motion law of ionic liquids in driven magnetic field. Our research promotes the application of ionic liquids in microfluidics and optoelectronics.

magnetic hydrodynamics (MHD); ionic liquid; drive; Lorentz force; flow rate

2016- 01- 08

江苏省普通高校研究生科研创新计划基金资助项目(SJLX_0363)；南京邮电大学基金资助项目(NY208002)

左艳(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：光子材料与光学器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.041

TN304;O361.4

A

1007-7820(2016)10-144-04