Влияние насыщения краевого угла на динамику капли в неоднородном переменном электрическом поле
Автор: Алексей Анатольевич Алабужев, Марина Анатольевна Пьянкова
Журнал: Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика @vestnik-psu-mmi
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 4 (67), 2024 года.
Бесплатный доступ
В данной статье предложена теоретическая модель электросмачивания на диэлектрической подложке с учетом насыщения динамического краевого угла от электрического напряжения. В качестве примера рассматриваются вынужденные колебания капли электролита, помещенной между двумя параллельными твердыми поверхностями в переменном электрическом поле. В состоянии механического равновесия капля имеет форму круглого цилиндра, ось симметрии которого перпендикулярна пластинам. Скорости линий контакта на обеих поверхностях зависят от внешней периодической силы электрического поля и отклонения краевого угла от его равновесного значения. Для описания неоднородности поверхности предполагается, что коэффициент пропорциональности является функцией координат. Эта функция индивидуальна для каждой поверхности. Показано, что это приводит к возбуждению дополнительных азимутальных мод, в отличие от случая однородных поверхностей. Внешнее переменное электрическое поле тоже является пространственно-неоднородным, так как в экспериментах сложно добиться однородного поля при конечных размерах проводника. Обнаружено, что неоднородность пластин изменяет значение угла насыщения. Продемонстрировано качественное согласие с экспериментами.
Вынужденные колебания, движение линии контакта, электросмачивание, динамический краевой угол, насыщение краевого угла, неоднородная поверхность
Короткий адрес: https://sciup.org/147247333
IDR: 147247333 | УДК: 532.64, 514.86 | DOI: 10.17072/1993-0550-2024-4-6-20
The Contact Angle Saturation Influence on a Drop Dynamics in a Non-uniform Alternating Electric Field
A theoretical model of electrowetting on a dielectric substrate is proposed taking into account the saturation of the dynamic contact angle from the electric voltage in this article. As an example, forced oscillations of an electrolyte droplet placed between two parallel solid surfaces in an alternating electric field are considered. In the state of mechanical equilibrium, the droplet has the shape of a round cylinder whose symmetry axis is perpendicular to the plates. The velocities of the contact lines on both surfaces depend on the external periodic force of the electric field and the deviation of the contact angle from its equilibrium value. To describe the surface inhomogeneity, it is assumed that the proportionality coefficient is a function of coordinates. This function is individual for each surface. It is shown that this leads to the excitation of additional azimuthal modes, in contrast to the case of homogeneous surfaces. The external alternating electric field is also spatially inhomogeneous, since it is difficult to achieve a uniform field in experiments with finite conductor sizes. It is found that the inhomogeneity of the plates changes the value of the saturation angle. Qualitative agreement with experiments was demonstrated.
Список литературы Влияние насыщения краевого угла на динамику капли в неоднородном переменном электрическом поле
- Mugele F., Baret J.-C. Electrowetting: from basics to applications // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. Vol. 17(28). P. 705–774. DOI: 10.1088/0953-8984/17/28/R01.
- Chen L., Bonaccurso E. Electrowetting - From statics to dynamics // Adv. Colloid Interface Sci. 2014 Vol. 210. P. 2–12. DOI: 10.1016/j.cis.2013.09.007.
- Zhao Y.-P., Wang Y. Fundamentals and Applications of Electrowetting: A Critical Review // Rev. Adhesion Adhesives 2013. Vol. 1 P. 114–174. DOI: 10.7569/RAA.2013.097304.
- Chung S.K., Rhee K., Cho S.K. Bubble actuation by electrowetting-on-dielectric (EWOD) and its applications: A review // Int. J. Precis. Eng. Manuf. 2010. Vol. 11. P. 991–1006. DOI: 10.1007/s12541-010-0121-1.
- Royal M. W., Jokerst N.M., Fair R.B. Droplet-Based Sensing: Optical Microresonator Sensors Embedded in Digital Electrowetting Microfluidics Systems // IEEE Sensors Journal 2013. Vol. 13. P. 4733–4742. DOI: 10.1109/JSEN.2013.2273828.
- Nelson W.C., Kim C.-J. Droplet actuation by electrowetting-on-dielectric (EWOD): a review // J. Adhes. Sci. Technol. 2012. Vol. 26. P. 1747–1771. DOI: 10.1163/156856111X599562.
- Hua Z., Rouse J.L., Eckhardt A.E., etc. Multiplexed real-time polymerase chain reaction on a digital microfuidic platform // Anal. Chem. 2010. Vol. 82 P. 2310–2316. DOI: 10.1021/ac902510u.
- Li J., Kim C.-J. Current commercialization status of electrowetting-on-dielectric (EWOD) digital microfluidics // Lab Chip. 2020. Vol. 20. P. 1705–1712. DOI: 10.1039/D0LC00144A.
- Li J., Wang Y., Chen H., Wan J. Electrowetting-on-dielectrics for manipulation of oil drops and gas bubbles in aqueous-shell compound drops // Lab Chip. 2014. Vol. 14 P. 4334–4337. DOI: 10.1039/C4LC00977K.
- Lee C.-P., Chen H.-C., Lai M.-F. Electrowetting on dielectric driven droplet resonance and mixing enhancement in parallel-plate configuration // Biomicrofluidics. 2012. Vol. 6(1): 012814. DOI: 10.1063/1.3673258.
- Kuiper S., Hendriks B.H.W. Variable-focus liquid lens for miniature cameras // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85. P. 1128-1130. DOI: 10.1063/1.1779954.
- Li C., Jiang Н. Fabrication and characterization of fexible electrowetting // Micromachines 2014. Vol. 5 P. 432–441. DOI: 10.3390/mi5030432.
- Hocking L.M. The damping of capillary-gravity waves at a rigid boundary // J. Fluid Mech. 1987. Vol. 179. P. 253–266. DOI: 10.1017/S0022112087001514.
- Алабужев А.А., Кашина М.А. Влияние различия свойств поверхностей на осесимметричные колебания сжатой капли в переменном электрическом поле // Изв. Вузов. Радио-физика. 2018. Т. 61, № 8–9. С. 662 –676. DOI: 10.1007/s11141-019-09919-4.
- Алабужев А.А., Кашина М.А. Динамика зажатой капли в неоднородном электрическом поле // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. № 4. С. 33–43. DOI: 10.17072/1994-3598-2019-4-33-4.
- Kashina М.А., Alabuzhev А.А. The Forced Oscillations of an Oblate Drop Sandwiched Be-tween Different Inhomogeneous Surfaces under AC Vibrational Force // Microgravity Sci. Technol. 2021. Vol. 33: 35. DOI: 10.1007/s12217-021-09886-4.
- Alabuzhev A.A. Influence of heterogeneous plates on the axisymmetrical oscillations of a cylindrical drop // Microgravity Sci. Technol. 2018. Vol. 30(1–2). P. 25–32. DOI: 10.1007/s12217-017-9571-8.
- Pyankova M.A., Alabuzhev A.A. Influence of the properties of the plate surface on the oscillations of the cramped drop // Phys. Fluids. 2022. Vol. 34: 092015. DOI: 10.1063/5.0101011.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. 2-е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. 621 с.
- Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 788 с.
- Алабужев А.А., Любимов Д.В. Влияние динамики контактной линии на колебания сжатой капли // ПМТФ. 2012. Т.53, № 1. С. 1-12. DOI: 10.1134/S0021894412010026.
- Алабужев А.А., Пьянкова М.А. Динамика зажатой капли в поле трансляционных вибраций // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 1. С. 78–88. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.6.
- Алабужев А.А., Любимов Д.В. Влияние динамики контактной линии на собственные колебания цилиндрической капли// ПМТФ. 2007. Т. 48, № 5. С. 78-86. DOI: 10.1007/s10808-007-0088-6.
- Алабужев А.А. Пьянкова М.А. Влияние пространственной неоднородности подложек и электрического поля на динамику зажатой капли // Вестник Пермского университета. Физика. 2022. № 2. С. 56–65. DOI: 10.17072/1994-3598-2022-2-56-65.
- Wang Q., Li L., Gu J., etc. Manipulation of a Nonconductive Droplet in an Aqueous Fluid with AC Electric Fields: Droplet Dewetting, Oscillation, and Detachment // Langmuir. 2021. Vol. 37 (41). P. 12098−1221. DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01934.