Меня всегда привлекали несколько парадоксальные устройства из техники, которые, не содержат практически ни одной детали, но, в то же время, выполняют свою функцию — по сути своей, они представляют собой идеальное техническое устройство, так как в нём идея минимизации количества компонентов (и максимизации надёжности, соответственно), доведена до абсолюта.
И сегодня мы рассмотрим ещё одно такое интересное устройство... ;-)
Впервые, описываемое явление было открыто достаточно давно, ещё в 1807 году, где первооткрывателем стал тогдашний профессор Московского университета Ф.Ф.Рейсс.
Можно ск��зать, что 1800-е годы в целом, прошли «под знаком электричества» и, с момента изобретения «вольтова столба», — как первого надёжного химического источника электрического тока, научное сообщество было увлечено изучением свойств новых возможностей, пытаясь применять их в абсолютно разных направлениях.
Думается, что и наш профессор в виду принадлежности к науке, и, поэтому, наверняка, будучи в курсе последних достижений, старался «быть в тренде», так как на тот момент, учёные Европы были заняты тем, что пропускали электрический ток через всё, «до чего можно только дотянуться». :-)
Находясь в рамках этих увлечений, Рейсс решил провести эксперимент, который объединял бы воедино: источник тока и влажную среду (так как эффект гальванического разложения уже был известен), однако, в несколько новом варианте: был взят кусок влажной глины, в который, были воткнуты две стеклянные трубки, на дно которых был насыпан речной песок, после чего, в каждую из трубок была залита вода.
После подключения электродов от вольтового столба к каждой из трубок (электроды были попросту опущены в воду) — начали наблюдаться два процесса одновременно:
В одной трубке (с положительным электродом) уровень воды начал опускаться, в то время как в противоположной трубке (с отрицательным электродом) — уровень воды начал повышаться.
Кроме этого, наблюдалось явление переноса частиц: в трубке с положительным электродом вода постепенно помутнела, наполнившись частицами глины (что говорило об их отрицательном заряде).
Выглядело это всё примерно так:
Этот, на первый взгляд, несложный опыт является примечательным тем, что, в ходе него было открыто два абсолютно разных явления:
электроосмос — движение жидкостей, под влиянием электрического поля;
электрофорез — перенос частиц, также под влиянием электрического поля.
Рейсс, в ходе анализа наблюдаемых явлений, сделал правильный вывод, предположив, что степень наблюдаемых результатов находится в прямой зависимости от величины электрического напряжения, однако, в виду не открытости ещё некоторых явлений (двойной электрический слой), он не мог ещё в полной мере понять, что происходит.
Поэтому, он сделал простецкий вывод, что электрический ток «как-то проталкивается сквозь песок и глину», попутно увлекая за собой жидкость — что, в общем-то, прямо соотносилось с эмпирически наблюдаемым явлением...
Научное сообщество встретило его открытие с энтузиазмом, и, результаты его работ были опубликованы на разных языках.
С точки зрения современной науки, подобные устройства представляют собой интересный вариант реализации перекачивающего устройства, где основными действующими агентами является полярная жидкость (например, вода, кислоты, растворы солей — т.е. содержащие свободные ионы) и поверхности, которые могут формировать поверхностный заряд.
В качестве таких поверхностей хорошо работают различные керамические (как мы видели выше — даже фарфор) и стекло.
При взаимодействии такой полярной жидкости и такой поверхности, происходит взаимодействие, с целью понизить поверхностную энергию, где, в результате, на поверхности твёрдого тела формируется двойной электрический слой и поверхность покрывается зарядами, где часть из них оказывается крепко связана с поверхностью, а часть, остаётся в полуподвижном состоянии (диффузный слой Гуи).
Теперь, если к этой системе приложить электрическое поле, то, положительные заряды (ионы) из этого слоя, начнут движение в сторону отрицательного электрода.
Так как согласно определению, ион — это всего лишь заряженная частица, то есть, атом, потерявший/приобретший электрон, то, для нас, как для внешнего наблюдателя, это всё будет выглядеть так, что попросту началось самопроизвольное течение тонкого слоя (десятки нанометров) жидкости у самой поверхности твёрдого тела.
Это течение, за счёт вязкого трения, увлекает за собой и более далеко расположенные от поверхности твёрдого тела слои.
Очевидно, что если это всё происходит в относительно «толстой» по сечению трубе, то, подобное явление будет довольно неэффективным — оно будет наблюдаться, но также будут наблюдаться и завихрения, торможения потока...
Таким образом сама логика явления подсказывает, что критически необходимо уменьшать диаметр сечения проходов, в которых наблюдается это явление.
Было выявлено, что высокая эффективность перекачки в подобных системах достигается при диаметре проходов, приблизительно менее 200 нм — в таком случае, наблюдается взаимное перекрытие текущих пристенных потоков, что, в итоге, приводит к течению потока жидкости во всём объёме прохода и, высокой эффективности перекачки всего устройства в целом.
Именно поэтому, капиллярные системы так хороши, при попытках практической реализации этого эффекта.
Несмотря на то, что описываемые явления были открыты ещё в 1807 году, до практического их применения оставалось ещё более 20 лет.
Тем не менее, уже в 1830 году немецким физиком Вильгельмом Вебером было разработано, революционное, на тот момент устройство, как раз, с прямым задействованием эффекта электроосмоса: он создал первый в мире высокочувствительный вольтметр — который мог измерять тысячные доли вольта!
Напомню, что дело происходило в 1800-х годах, и, для того времени, это была просто революция!
Так как до этого момента, существовали лишь грубые электроскопы, только приблизительно позволявшие измерять уровень статических зарядов....
Устройство получило название «капиллярного электрометра» и было устроено следующим образом (там был ряд вариаций конструкции, но общий смысл оставался одним и тем же): стеклянный сосуд разделялся перегородкой из гипса (в другой вариации — из неглазурованного фарфора, чтобы были не закрыты микропоры), где, затем, в сосуд наливалась жидкость, и, затем, в каждую из половин сосуда опускался электрод своей полярности.
Из-за уже известного нам электроосмотического эффекта, происходило перемещение жидкости из одной половины сосуда в другую, где каждая из половин была оснащена ещё и отходящими от них небольшими трубками с делениями, показывающими изменения уровня.
В дальнейшем, аппарат пережил «апгрейд»: вместо фарфоровой перегородки стали использовать тонкий капиллярный проход сечением около 0,1 мм и протяжённостью порядка 5 см, а вместо воды стала применяться серная кислота.
В целом, подобные устройства, из-за малого сечения капилляров (малого перетока, и, в результате этого, высокого разрешения), могли регистрировать весьма малое изменение напряжения (как уже было выше сказано, тысячные доли вольта).
Тем не менее, оставалась проблема: аппарат был относительно медленно действующим, и, граница жидкости была довольно размытой (трудно было наблюдать за ней и делать адекватные выводы); также, для перемещения на новое положение и стабилизации на нём, после приложения электрического тока — этому аппарату требовалось вплоть до минут (в зависимости от конструкции), где версия аппарата с пористой перегородкой работала быстрее (из-за множества пор и, соответственно, большего потока).
Обозначенная проблема была решена только в 1873 году (да, поиск решения занял довольно много времени): было разработано устройство, которое состояло из тонкой трубки; трубка была наполовину залита ртутью, где прямо поверх ртути была налита разбавленная серная кислота.
После подключения источника электрического тока, происходило изменение поверхностного натяжения ртути, что несколько поднимало её вверх, соответственно, несколько смещая границу раздела ртуть-серная кислота.
То есть, здесь мы видим принципиальную разницу с аппаратом Вебера: не просто капиллярное течение жидкости, а более совершенный вариант: изменения поверхностного натяжения, под влиянием приложенного электрического поля.
Что это всё в практическом смысле значило:
Появился очень чёткий «мениск» (несколько вогнутая поверхность серной кислоты), который мог очень легко отслеживаться и чётко указывать на деления градуировки, нанесённой прямо на капиллярную трубку;
Аппарат получился крайне быстродействующим: он мог регистрировать изменения напряжения, с частотой вплоть до 100 Гц!
Таким образом, это был уже первый аппарат, позволяющий регистрировать изменения электрического сигнала в течение времени, с большой частотой!
Одну из реализаций подобного аппарата, и, наглядно увидеть, насколько он быстро работает, можно здесь (ссылкой, потому что владелец видео запретил встраивание в другие сайты).
Общая схема подобных систем выглядела примерно так:
Практическое применение этого нового аппарата не заставило себя долго ждать — уже в 1887 году, с использованием этого принципа был разработан первый в мире аппарат электрокардиографии, позволяющий регистрировать слабые электрические сигналы сердца!
Но, было бы ошибочным считать, что с переходом к поверхностному натяжению от капиллярного течения — второй эффект был бы «забыт и заброшен на полку истории».
Вовсе нет, со временем, для него нашлись и другие применения, не менее примечательные!
Выше мы видели, что неотъемлемой частью систем, реализующих эффект электроосмоса, является использование массива миниатюрных каналов, буквально нанометровых сечений.
Что из этого следует? Из этого следует, что подобные системы могут развивать просто чудовищные давления!
Для тех, кто не сталкивался, дополнительно поясню, что (если не вдаваться в подробности) — способность пневматической или гидравлической системы к работе с соответствующей средой, зависит, в том числе, от механической прочности самой системы, а также от площади поверхности, на которую воздействует это давление.
Что что это значит, если сказать проще: что, с одной стороны, система должна быть достаточно прочной, чтобы не развалиться от того давления, с которым она имеет дело, а с другой, она должна иметь возможности для работы с ним — то есть, усилие, создаваемое системой, должно быть таким, чтобы это усилие могло с успехом противостоять сопротивлению давления среды.
Одним из путей достижения этого, как раз и является уменьшение площади, на которую воздействует давление, что и достигается уменьшение проходных сечений.
Ярким примером такого подхода является обычный гидравлический домкрат, для поднимания машины — мы, многократно поднимая и опуская рычаг домкрата, качаем маленький насосик, небольшого диаметра, с помощью которого накачиваем гидравлическую жидкость в большой цилиндр, который и поднимает машину.
И несмотря на то, что этот большой цилиндр испытывает относительно большое давление, мы можем преодолеть это давление своим физическим усилием, так как для нас это давление очень сильно уменьшено — за счёт того, что мы имеем дело с маленьким насосом, малого диаметра, на которой давит очень маленькая сила...
Что это значит, в практическом смысле, если мы вернёмся обратно, к нашим электроосмотическим системам?
А то, что благодаря микроканалам, эти системы, с одной стороны, могут выдержать огромное давление, а с другой — их усилие перекачки достаточно велико, чтобы успешно противостоять этому давлению, и продолжать свою работу: скажем, известно, что при приложении напряжения порядка 5 кВ — микроканальная система может развивать давление в 25 бар! А при соединении таких систем в каскад — развить давление, даже в более чем, 100 бар!
Причём! Всё это даже в самых миниатюрных размерах, и, без каких-либо поршней, двигателей (соответственно, и без пульсаций)!
Идея на обдумывание: а ведь на базе таких систем можно строить роботов с гидравлическим приводом (и весьма мощных, бесшумных)! :-)
Что уже само по себе может быть очень интересно...;-)
И кое кто уже работает в этом направлении:
В настоящее время, подобные приводы довольно широко распространились в области микрофлюидики — где используются, например, в качестве насосов, в лабораториях-на-чипе.
Из необычных применений такого эффекта, в завершение, можно упомянуть успешные попытки использования его для осушения заболоченных почв, что применялось в СССР, в течение многих десятилетий, где основной проблемой этого метода являлось только высокое энергопотребление...
Ниже можно увидеть ещё пару примеров таких насосов, где наглядно видно, насколько быстро идёт перекачка:
Как мы видим, сам эффект остаётся очень интересным, привлекающим много внимания и имеющим множество реализаций, то есть, эффект не является чистой научной концепцией, весьма широко применяется, и думается, что сфера его применений может быть даже шире и он далеко ещё не исчерпал себя...
P.S. А недавно (2023), с применением аналогичного эффекта (но, уже, не совсем осмос) было представлено и совсем удивительное устройство - трубчатый гибкий насос, работающий также на ионизации:
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
