Aktivierung von Tropfen mit Elektrowetting: Kraft und Dynamik

Zusammenfassung Elektrowetting auf Dielektrika (EWOD) ermöglicht die rasche Bewegung von Flüssigkeitstropfen auf einer glatten Oberfläche, mit Anwendungen, die von Lab-on-Chip-Geräten bis zu Mikroaktuatoren reichen. Die in der Ebene wirkende Kraft auf einen Tropfen ist ein entscheidender Indikator für die Leistung von EWOD. Diese Kraft wurde umfangreich modelliert, aber nur wenige direkte experimentelle Messungen sind berichtet. Wir untersuchen die EWOD-Kraft auf einen Tropfen mittels zweier Aufbauten, die erstmals die gleichzeitige Messung von Kraft und Kontaktwinkel ermöglichen, während die Tropfenform mit 6000 Bildern/s abgebildet wird. Für mehrere Flüssigkeiten und Oberflächen beobachten wir, dass die Kraft bei einer Spannung von etwa 150 V gesättigt ist. Die Anwendung von Spannungen bis zu 2 kV, also 10-mal höher als üblich, erhöht die Kräfte nicht signifikant über den Sättigungspunkt hinaus. Allerdings beobachten wir, dass die transiente Dynamik, die an der vorderen Kontaktlinie lokalisiert ist, keine Sättigung mit der Spannung zeigt. Bei den höheren Spannungen erhöht sich die anfängliche Geschwindigkeit der vorderen Kontaktlinie weiterhin, der vordere Kontaktwinkel wird vorübergehend nahezu null, was einen dünnen Flüssigkeitsfilm erzeugt, und Kapillarwellen bilden sich an der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche. Wenn die lokalisierten EWOD-Kräfte an der Kontaktlinie die kapillaren Kräfte überschreiten, bilden sich projizierte Tropfen. Höhere Oberflächenspannung ermöglicht höhere Tropfenkräfte, was wir mit Quecksilber demonstrieren.