電気浸透

化学において、電気浸透流（EOF、ハイフンは任意、電気浸透または電気浸透と同義）は、多孔質材料、毛細管、膜、マイクロチャネル、またはその他の流体導管を横切る印加電位によって引き起こされる液体の動きです。電気浸透速度は導管のサイズに依存しないため、電気二重層がチャネルの特性長さスケールよりもはるかに小さければ、電気浸透流はほとんど影響しません。電気浸透流は、小さなチャネルで最も重要になり、化学分離技術、特にキャピラリー電気泳動に不可欠な要素です。電気浸透流は、天然のろ過されていない水でも、緩衝溶液でも発生します。

電気浸透流の概略図

歴史

電気浸透流は、1807年にフェルディナント・フリードリヒ・ロイス（1778年2月18日（ドイツ、テュービンゲン）- 1852年4月14日（ドイツ、シュトゥットガルト））^{[ 1 ]}モスクワ物理医学会での未発表の講演の中で初めて報告されました。 ^{[ 2 ]}ロイスは、1809年にモスクワ帝国博物学会紀要の中で初めて電気浸透流について発表しました。^{[ 3 ] [ 4 ]}彼は、電圧をかけることによって粘土の塊を水が流れるようにできることを示しました。粘土はシリカやその他の鉱物の粒子が密集してできており、水は狭いガラス管の中と同じようにこれらの粒子の間の狭い空間を流れます。電解質（溶解したイオンを含む流体）と絶縁体のどのような組み合わせでも電気浸透流を発生させることができますが、水/シリカの場合にその効果は特に大きくなります。それでも、流速は通常、1 秒あたり数ミリメートルしかありません。

電気浸透は1814年にイギリスの化学者ロバート・ポレット・ジュニア（1783-1868）によって独立して発見されました。^{[ 5 ] [ 6 ]}

原因

電気浸透流は、溶液中の正味可動電荷に電界が誘起するクーロン力によって引き起こされます。固体表面と電解質溶液との間の化学平衡により、通常、界面は正味固定電荷を獲得するため、界面近傍の領域に電気二重層またはデバイ層と呼ばれる可動イオン層が形成されます。流体に電界が印加されると（通常は入口と出口に配置された電極を介して）、電気二重層内の正味電荷はクーロン力によって移動を誘導されます。この流れは電気浸透流と呼ばれます。

説明

電圧を印加することで生じる流れはプラグフローです。圧力差によって生じる放物線状のプロファイルの流れとは異なり、プラグフローの速度プロファイルはほぼ平面状で、電気二重層付近でわずかに変化します。これにより有害な分散効果が大幅に低減し、バルブなしで制御できるため、流体分離のための高性能な方法となりますが、多くの複雑な要因によりこの制御は困難です。マイクロ流体チャネル内の流れの測定と監視は困難であり、主にフローパターンを乱すため、ほとんどの解析は数値解析とシミュレーションによって行われています。^{[ 7 ]}

マイクロチャネルを通る電気浸透流は、電界と圧力差から生じる駆動力を持つナビエ・ストークス方程式に基づいてモデル化することができる。したがって、電気浸透流は連続の方程式によって支配される。

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {U} =0}$

そして勢い

${\displaystyle \rho {\frac {D\mathbf {U} }{Dt}}=-\nabla p+\mu \nabla ^{2}\mathbf {U} +\rho _{e}\nabla \left(\psi +\phi \right),}$

ここで、 Uは速度ベクトル、ρは流体の密度、は物質微分、μは流体の粘度、ρ _eは電荷密度、ϕは印加電場、ψは壁のゼータ電位による電場、 pは流体圧力です。 ${\displaystyle D/Dt}$

ラプラス方程式は外部電場を記述できる

${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0,}$

電気二重層内の電位は

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi ={\frac {-\rho _{e}}{\epsilon \epsilon _{0}}},}$

ここで、εは電解質溶液の誘電率、ε ₀は真空誘電率である。この式はデバイ・ヒュッケル近似を用いてさらに簡略化することができる。

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi =k^{2}\psi ,}$

ここで、1 / kはデバイ長であり、電気二重層の特性厚さを表すために使用される。二重層内の電位場に関する式は以下のようにまとめられる。

${\displaystyle \rho _{e}=-\epsilon \epsilon _{0}k^{2}\psi .}$

宇宙におけるイオンの輸送はネルンスト・プランク方程式を用いてモデル化することができる：^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\partial c \over {\partial t}}=\nabla \cdot \left[D\nabla c-c{\bf {v}}+{Dze \over {k_{\text{B}}T}}c\left(\nabla \phi +{\partial {\bf {A}} \over {\partial t}}\right)\right]}$

ここで、 はイオン濃度、は磁気ベクトルポテンシャル、は化学種の拡散係数、はイオン種の価数、は素電荷、はボルツマン定数、は絶対温度です。 ${\displaystyle \ c}$ ${\displaystyle {\bf {A}}}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ ${\displaystyle T}$

実装

電気浸透流は通常、流れを発生させたい入口と出口に電極を設置し、電界を印加することで実現されます。しかし、電気浸透流は化学反応によっても誘起され、荷電粒子が生成されます。このような反応は、H ₂ O ₂などの燃料が電極にコーティングされた材料と相互作用することで発生します。^{[ 9 ]}また、光触媒は特定の材料に反応を起こさせ、燃料を必要としません。^{[ 10 ]}植物（師管）では、細胞がナトリウム-カリウムポンプを介してイオン（K+）を吸収・分泌することで電荷の不均衡が生じます。^{[ 11 ]}

アプリケーション

電気浸透流は、マイクロ流体デバイス^{[ 12 ] [ 13 ]}、土壌分析・処理^{[ 14 ]}、化学分析^{[ 15 ]}などで一般的に利用されています。これらの分野では、酸化物などの高電荷表面を持つシステムが日常的に利用されています。一例としてキャピラリー電気泳動[ ^{13 ] [ 15 ]が挙げ}られます。この方法では、通常はシリカ製の細いキャピラリーに電界を印加することで、化学物質をその電気泳動移動度に応じて分離します。電気泳動分離において、電気浸透流は分析物の 溶出時間に影響を及ぼします。

電気浸透流はFlowFETで作動し、接合部を通る流体の流れを電子的に制御します。

電気浸透流を利用したマイクロ流体デバイスは、医療研究への応用が期待されています。この流れの制御がより深く理解され、実用化されれば、原子レベルで流体を分離する能力は、薬剤放出装置にとって不可欠な要素となるでしょう。^{[ 16 ]}マイクロスケールでの流体の混合は現在困難です。今後は、流体を電気的に制御することが、微小流体を混合する方法となると考えられています。^{[ 16 ]}

電気浸透システムの議論の的となっている用途の一つは、建物の壁面における湿気上昇の抑制である^{[ 17 ]} 。これらのシステムが壁面の塩分除去に有効であることを示唆する証拠はほとんどないものの、非常に厚い壁を持つ建物では特に効果的であると主張されている。しかしながら、これらのシステムには科学的根拠がないと主張する者もおり、その失敗例をいくつか挙げている^{[ 18 ] 。}

電気浸透は、電場ではなく化学反応によって駆動する自己ポンプ細孔にも適用できます。このアプローチはH ₂ O ₂を用いて実証されており^{[ 19 ]}、ネルンスト・プランク・ストークス方程式を用いてモデル化されています^{[ 8 ] 。}

物理

燃料電池では、電気浸透により陽子が陽子交換膜(PEM)を通過し、水分子が一方 (アノード) からもう一方 (カソード) に引き寄せられます。

維管束植物生物学

維管束植物生物学では、電気浸透は、質量流動仮説や細胞質流動などの凝集張力理論とは異なる、極性液体の師管を介した移動の代替的または補足的な説明としても用いられている。^{[ 20 ]}伴細胞は、篩管からのイオン（K ⁺ ）の「周期的な」引き出しと、篩板間の引き出し位置と平行な分泌に関与しており、その結果、篩板要素の分極と圧力の電位差が生じ、極性水分子やその他の溶質が師管を通って上方に移動することとなる。^{[ 20 ]}

2003年、サンクトペテルブルク大学の卒業生らが、1年生の菩提樹の芽の横に植えたトウモロコシの実生の中胚葉の10mmの断片に直流電流を流したところ、組織中に存在する電解質溶液がその場にある陰極に向かって移動し、電気浸透が導電性植物組織を通じた溶液輸送に役割を果たしている可能性が示唆された。^{[ 21 ]}

デメリット

電解質中に電界を維持するには、陽極と陰極でファラデー反応が起こる必要があります。これは典型的には水の電気分解であり、過酸化水素、水素イオン（酸）、水酸化物（塩基）、そして酸素と水素のガス泡を生成します。生成された過酸化水素やpH変化は、生体細胞やタンパク質などの生体分子に悪影響を及ぼす可能性があり、またガス泡はマイクロ流体システムを「詰まらせる」傾向があります。これらの問題は、ファラデー反応を自ら起こし、電気分解を大幅に低減できる共役ポリマーなどの代替電極材料を使用することで軽減できます。^{[ 22 ]}

参照

• 表面電荷
• キャピラリー電気泳動
• 電気二重層
• 流動電流
• 誘導電荷電気運動学
• 流動電位
• ゼータ電位
• 電気浸透ポンプ
• 電気二重層
• マイクロ流体工学
• 電気化学

参考文献

1. FFロイスの伝記情報（ドイツ語）は、 Deutsche Biographieでご覧いただけます。
2. ロイスの講演の通知は、 ロイス、FF (1807 年 11 月) に掲載されました。 「Indicium de novo hucusque nondum cognito effectu electricitatis galvanicae」[ガルバニック電気のこれまで知られていない新しい効果に関する通知]。Commentationes Societatis Physico-medicae、Apud Universitatem Literarum Caesaream Mosquensem Institutae (物理医学協会の回想録、モスクワ帝国文学大学に設置) (ラテン語)。1、ポイント1:xxxix。 入手可能場所: Österreichische Nationalbibliothek (オーストリア国立図書館)
3. ロイス、FF (1809)。「 Notice sur un nouvel effet de l'électricité galvanique」 [ガルバニック電気の新たな効果に関するお知らせ]。Mémoires de la Société Impériale des Naturalistes de Moscou (フランス語)。2：327～ 337。
4. Biscombe, Christian JC (2017). 「電気運動現象の発見：記録を正す」 . Angewandte Chemie International Edition . 56 (29): 8338– 8340. Bibcode : 2017ACIE...56.8338B . doi : 10.1002/anie.201608536 . hdl : 11343/292176 . PMID 27902877 . 入手先： Wiley.com
5. ポレット、R. Jr. (1816). 「奇妙なガルバニック実験」 Annals of Philosophy 8 : 74–76 .
6. (ビスコム、2017)、8339頁。
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9. Fang, Yuhang; Anandan, Sudharshan; Moran, Jeffrey L.; Warsinger, David M. (2024). 「触媒自己ポンプ膜およびチャネルの性能に対する細孔境界形状の影響」 . Electrochimica Acta . 508 145049. doi : 10.1016/j.electacta.2024.145049 . 2025年6月4日閲覧。
10. Yu, Tingting; Athanassiadis, Athanasios G.; Popescu, Mihail N.; Chikkadi, Vijayakumar; Güth, Achim; Singh, Dhruv P.; Qiu, Tian; Fischer, Peer (2020-10-27). 「自己ポンプ壁を備えたマイクロチャネル」 . ACS Nano . 14 (10): 13673– 13680. Bibcode : 2020ACSNa..1413673Y . doi : 10.1021/ acsnano.0c05826 . ISSN 1936-0851 . PMC 7596775. PMID 32946220 .   
11. Porsev, EG; Malozyomov, BV; Rozhkova, MV (2017). 「農業生態系と土地利用における代替電気動態技術」(PDF) .国際会議「機械工学の実際的課題」2017年 (AIME 2017) 議事録. パリ, フランス: Atlantis Press. doi : 10.2991/aime-17.2017.104 . ISBN 978-94-6252-406-4. 2025年6月4日閲覧。
12. Bruus, H. (2007).理論マイクロ流体工学. OUP Oxford. ISBN 978-0-19-923509-4。
13. Kirby, BJ (2010).マイクロ・ナノスケール流体力学：マイクロ流体デバイスにおける輸送：第6章：電気浸透. Cambridge University Press. 2020年11月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年1月8日閲覧。
14. ワイズ、ドナルド・L.、トラントロ、デブラ・J.編（1994年3月30日）。有害廃棄物汚染土壌の修復。CRCプレス。ISBN 978-0-8247-9160-5。
15. Skoog (2007).機器分析の原理. Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-12570-9。
16. Ducree, Jen. myFluidix.com .
17. オットーセン、リスベス、アン・J・ペダーセン、インゲ・ロリグ＝ダルガード（2007年9月）「レンガ積みにおける塩分関連の問題と電気動態による塩分除去」建築鑑定ジャーナル3 (3): 181–194 . doi : 10.1057/palgrave.jba.2950074 . 入手可能：Springer.com
18. 「電気浸透防湿システム – 詐欺か、湿気に対する完璧な解決策か – 決めるのはあなたです!」。
19. Jun, In-Kook; Hess, Henry (2010-09-13). 「生体模倣型自己ポンプ膜」. Advanced Materials . 22 (43). Wiley: 4823– 4825. Bibcode : 2010AdM....22.4823J . doi : 10.1002/ adma.201001694 . ISSN 0935-9648 . PMID 20839247. S2CID 205237530 .   
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さらに読む

• Bell, FG (2000).土壌と岩石の工学的特性, 第4版.
• Chang, HC; Yao, L. (2009).電気運動駆動型マイクロ流体工学およびナノ流体工学.
• レヴィッチ, V. (1962).物理化学流体力学. アドバンス出版. ISBN 978-0-903012-40-9。{{cite book}}:ISBN / Date incompatibility (help)
• Probstein, RF (2003).物理化学流体力学入門, 第2版.

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