[논문 리뷰] Induced-charge electrophoresis near an insulating wall

Mustafa Sabri Kilic, Martin Z. Bazant|ArXiv.org|2007. 12. 04.

Electrostatics and Colloid Interactions참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 낮은 전압, 얇은 이중층 이론을 사용하여 절연벽 근처의 극화 가능한 입자에서 유도 전하 전기역학(ICEP)을 연구한다. 대칭적인 금속 구는 모든 주파수에서 벽으로부터 반발력을 받는 반면, 비대칭적인 금속/절연체 잔스 입자는 토크에 의해 비극화 가능한 면이 벽 쪽으로 기울어지면서 새로운 ICEP 유도 힘에 의해 끌어당김을 경험하며, 중간 주파수의 교류(AC)에서 표면을 따라 안정적인 슬라이딩 운동을 하게 된다. 이때 평형 기울기 각도는 약 45°이며, ICEP와 유전력학적 힘(DEP) 간의 힘 평형이 이루어진다.

ABSTRACT

Induced-charge electrophoresis (ICEP) has mostly been analyzed for asymmetric particles in an infinite fluid, but channel walls in real systems further break symmetry and lead to dielectrophoresis (DEP) in local field gradients. Zhao and Bau (Langmuir, extbf{23}, 2007, pp 4053) recently predicted that a metal (ideally polarizable) cylinder is repelled from an insulating wall in a DC field. We revisit this problem with an AC field and show that attraction to the wall sets in at high frequency and leads to an equilibrium distance, where DEP balances ICEP, although, in three dimensions, a metal sphere is repelled from the wall at all frequencies. This conclusion, however, does not apply to asymmetric particles. Consistent with the recent experiments of Gangwal et al. (arXiv:0708.2417), we show that a metal/insulator Janus particle is always attracted to the wall in an AC field. The Janus particle tends to move toward its insulating end, perpendicular to the field, but ICEP torque rotates this end toward the wall. Under some conditions, the theory predicts steady translation along the wall with an equilibrium tilt angle, as seen in experiments, although more detailed modeling of the contact region of overlapping double layers is required.

연구 동기 및 목표

• 절연벽 근처의 금속/절연체 잔스 입자에서 이론적 예측인 ICEP의 반발력과 실험적 관측인 끌림 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 입자 기하학의 비대칭성(예: 잔스 입자)이 벽 근처에서 ICEP와 유전력학적 힘(DEP)에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 벽을 따라 ICEP에 의해 유도되는 슬라이딩 운동이 발생하는 조건을 규명하기 위해, 평형 기울기 각도와 힘 평형을 포함하여.
• 접촉 영역 근처에서 이중층의 중첩과 표면력이 슬라이딩 운동의 발생 또는 억제에 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 이전의 ICEP 모델(이전에 유한한 유체 내에서 고립된 입자에 국한되어 있음)을 확장하여 벽에 기인한 유체역학적 및 전기적 힘을 포함하기 위해.

제안 방법

• 극화 가능한 입자 근처의 절연벽에서 전기역학적 유동을 모의하기 위해 저전압, 얇은 이중층 근사법을 사용한다.
• 교류(AC) 필드 하에서 유도 전하 표면 극화에 기반한 전기오스모시스립 속도를 얻기 위해 스토크스 방정식을 적용한다.
• 경계 적분 방법을 통해 유체역학적 힘과 토크를 구하고, ICEO 유동의 4중극자 및 벽과의 상호작용을 고려한다.
• 잔스 입자를 반은 이상적으로 극화 가능한(금속), 반은 비극화 가능한(절연체)으로 모델링하여 비대칭 유동과 토크 생성을 가능하게 한다.
• 특히 벽 근처에서 ICEP(스립 유도 힘)와 DEP(장력 기울기 유도 힘) 간의 힘과 토크의 균형을 평가한다.
• AC 주파수와 입자 높이를 변화시켜 반발력에서 끌림으로의 전이를 분석하고, 평형 슬라이딩 조건을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 실험적으로 관측된 금속/절연체 잔스 입자들이 이론적 예측인 ICEP 반발력과는 달리 절연벽으로부터 끌림을 보이는가?
• RQ2 잔스 입자에서 ICEP 토크가 비극화 가능한 면이 벽 쪽으로 기울게 하는 방식은 무엇이며, 그로 인해 생기는 평형 구성은 어떠한가?
• RQ3 어떤 교류(AC) 주파수와 기하학적 조건에서 ICEP에 의해 유도된 벽을 따라의 슬라이딩 운동이 발생하며, 평형 기울기 각도는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 유체역학적 결합과 점성 굴링력이 벽 근처에서 토크가 사라질 경우에도 자세 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 접촉점에서의 이중층 상호작용(반발력 또는 흡인력)이 슬라이딩 운동의 발생 또는 억제에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 대칭적인 금속 구와 실린더는 모든 주파수에서 ICEO 유동으로 인해 절연벽으로부터 반발력을 받으며, 이는 이전의 직류(DC) 필드 예측과 일치한다.
• 고주파수에서 유전력학적 힘(DEP)는 ICEP 반발력을 초월하여 끌림을 유도하며, 실린더의 경우 평형 거리에 도달하지만, 구의 경우는 그렇지 않다.
• 잔스 입자는 ICEP 토크로 인해 항상 벽으로 끌려오며, 이는 비극화 가능한 면이 벽 쪽으로 기울어지면서 슬라이딩 운동이 가능하게 한다.
• ICEP 토크는 입자를 벽 쪽으로 기울게 하여 기울기 각도가 약 90°일 때 최대 토크를 경험하지만, 벽에 가까워질수록 약 45° 부근에서 부호가 반전된다.
• 중간 주파수(예: ωτc = 10)에서 토크가 사라져도 수평 방향의 ICEP 힘은 여전히 강하게 유지되어 벽을 따라 지속적인 슬라이딩 운동이 가능하다.
• 저주파수에서 낮은 기울기 각도와 안정적인 슬라이딩 운동이 관측되는 것은 이중층 중첩과 접촉점에서의 효과적 슬립을 개선한 모델링이 필요할 수 있다.