Flujos de Electrolitos generados por Microelectrodos sometidos a una Onda de potencial viajera. (Trvalling – Wave electrokinetic Micropumps).

La presente tesis doctoral trata sobre el uso de hileras de electrodos (electrode arrays) para el bombeo de electrolitos en microsistemas. Se presta especial atencion a arrays de microelectrodos sujetos a potenciales de onda viajera. La motivacion de este trabajo es doble: la tecnologia del Laboratorio en un Chip requiere el desarrollo de metodos de control de fluidos en microsistemas y, por otro lado, experimentos recientes con arrays de microelectrodos muestran comportamientos que no han sido explicados teoricamente. Nuestro principal objetivo en esta tesis es llevar a cabo una caracterizacion experimental exhaustiva de los flujos generados por estos arrays. No solo medimos velocidades del fluido; para conseguir una descripcion lo mas completa posible de los fenomenos se han medido otras magnitudes fisicas relevantes tales como: corriente electrica, impedancia, concentracion de especies ionicas,. Por esto, la mayor parte del esfuerzo en este trabajo se ha dedicado a la puesta a punto de las tecnicas para llevar a cabo el estudio experimental (desde el desarrollo de un programa para medir las velocidades de las particulas trazadoras hasta la preparacion de montajes para las medidas simultaneas de la velocidad del fluido y de la corriente electrica y/o impedancia). Los resultados experimentales proporcionan informacion de los mecanismos fisicos responsables de la generacion de flujo de fluido. La mayor parte de este texto esta dedicado a la presentacion y analisis de estos resultados. Presentamos por primera vez un estudio completo del flujo de fluido generado por potenciales de onda viajera como funcion de la amplitud de la se.nal aplicada (0-8Vpp) y de su frecuencia (0.1-10 kHz). El flujo ha sido descrito por un mapa 2-D donde la velocidad es representada frente a la amplitud y frecuencia de la se.nal. Se han usado arrays de dos metales diferentes (platino y titanio). Ambos arrays muestran el mismo comportamiento general: a amplitudes peque.nas el electrolito fluye en la direccion que predice la teoria de la AC electroosmosis. Este modo lo hemos denominado normal pumping. Para una cierta amplitud, que depende de la frecuencia, el flujo se invierte (reverse pumping). Tambien hemos estudiado la influencia de varios parametros experimentales como el tamano del electrodo, la conductividad del electrolito, la altura del canal,. En todos los casos el flujo se invierte si la amplitud de la se.nal es suficientemente alta. El valor minimo de la amplitud de la se.nal para que el flujo se invierta ha sido estudiado como funcion de estos parametros. Tambien han sido llevadas a cabo medidas de la corriente electrica durante el bombeo de electrolito. Se ha observado comportamiento transitorio tanto en la corriente electrica como en la velocidad del fluido. La impedancia electrica del sistema electrodo-electrolito se midio despues de los experimentos y se encontro que su valor decrece fuertemente. Hemos usado tintas fluorescentes para estudiar el efecto de las gradientes en concentracion ionica generados por corrientes de Faraday. Se encontro que el pH cambia bruscamente para amplitudes de la se.nal tipicas de las aplicadas para el reverse pumping. De estas observaciones se concluye que los modelos teoricos no deben ignorar estos cambios en las propiedades de los liquidos ya que estos se encuentran fuertemente correlacionados con las observaciones de flujo. Los resultados de este estudio han motivado el trabajo teorico realizado en esta tesis: - El efecto de las corrientes de Faraday en la carga de la capa doble electrica se ha modelado en el regimen lineal. Este modelo representa una aproximacion mas general al problema electrocinetico, no se supone que los electrodos sean perfectamente polarizables. - Se analizan fuerzas en el seno del liquido debidas a gradientes en la concentracion ionica. Se discuten algunas situaciones donde estas fuerzas llevan a un bombeo neto de electrolito. Calculos preliminares de la velocidad del fluido generada por gradientes donde las especies ionicas tienen diferente movilidad estan en acuerdo con las medidas de velocidad a amplitudes altas (reverse pumping). Tambien se incluye un capitulo donde se optimiza la geometria del array de electrodos sometidos a una onda viajera. Los experimentos se realizan en estructuras planas pero los resultados numericos muestran que estructuras 3-D pueden generar velocidades mas grandes para la misma amplitud de la se.nal aplicada. En este capitulo se encuentra la altura del electrodo para que la velocidad neta sea maxima. Otros trabajos relacionados con la manipulacion de electrolitos con campos electricos alternos han sido realizados. En los apendices se incluyen los resultados relativos a �Control de flujos bifasicos con campos alternos� y �Flujo de electrolito inducido en una geometria punta-plano en microsistemas�. Ambos trabajos son ejemplos de flujos generados por fuerzas electricas en el seno del electrolito. Estos apendices solo se incluyen en ingles.