Electrophoresis of conducting and non-conducting microparticles in a polar electrolyte under a strong electric field

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This work focuses on the study of electrophoresis of conducting and non-conducting particles in a polar electrolyte solution under a strong electric field. Numerical modeling results are presented for both types of particles, including distributions of cation and anion concentrations, charge density, total ion concentration, and ion fluxes near the particle surface. It is shown that, for a dielectric surface with a sufficiently high surface charge, an extended space-charge region can form. The emergence of this region is driven by high surface conductivity in the electric double layer and by intense tangential ion fluxes. Qualitative differences in the mechanism of extended space charge formation are revealed when comparing ion-selective and dielectric particles. The findings enhance our understanding of nonlinear electrokinetic processes and can be useful in designing microfluidic systems and colloidal technologies.

About the authors

E. A. Frants

Financial University under the Government of the Russian Federation

Email: eafrants@fa.ru
Leninsky Ave., 49, bldg. 2, Moscow, 125167 Russia

A. A. Krylov

Financial University under the Government of the Russian Federation; Kuban State University

Leninsky Ave., 49, bldg. 2, Moscow, 125167 Russia; Stavropolskaya St., 149, Krasnodar, 350040 Russia

E. A. Demekhin

Financial University under the Government of the Russian Federation; Kuban State University; Institute of Mechanics of Lomonosov Moscow State University

Leninsky Ave., 49, bldg. 2, Moscow, 125167 Russia; Stavropolskaya St., 149, Krasnodar, 350040 Russia; Michurinsky Ave., 1, Moscow, 119192 Russia

References

  1. Smoluchowski M. Contribution à la théorie de l’endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs // Bulletin de l’Académie des Sciences de Cracovie. 1903.
  2. Helmholtz H. Studien über electrische grenzschichten // Annalen der Physik und Chemie. 1879. V. 243. № 7. P. 337–382. https://doi.org/10.1002/andp.18792430702
  3. Wall S. The history of electrokinetic phenomena // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2010. V. 15. P. 119–124. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2009.12.005
  4. Henry D.C. The cataphoresis of suspended particles. Part I. The equation of cataphoresis // Proc. R. Soc. Lond. A. 1931. V. 133. P. 106–129. https://doi.org/10.1098/rspa.1931.0133
  5. Mooney M. Electrophoresis and the diffuse ionic layer // J. Phys. Chem. 1931. V. 35. № 1. P. 331–344. https://doi.org/10.1021/j150319a021
  6. Dukhin S.S. Electrophoresis at large Peclet numbers // Adv. Colloid Interface Sci. 1991. V. 36. P. 219–248. https://doi.org/10.1016/0001-8686(91)80034-h
  7. Mishchuk N.A., Dukhin S.S. Electrokinetic phenomena of the second kind // Interfacial Electrokinetics and Electrophoresis. 2002. № 10. P. 241–275.
  8. Mishchuk N.A., Dukhin S.S. Electrophoresis of solid particles at large Peclet numbers // Electrophoresis. 2002. V. 23. № 13. P. 2012. https://doi.org/10.1002/1522-2683(200207)23:13%3C2012::aid-elps2012%3E3.0.co;2-y
  9. Barany S. Electrophoresis in strong electric fields // Adv. Colloid Interface Sci. 2009. V. 147–148. P. 36–43. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.10.006
  10. Baran A.A., Babich Y.A., Tarovsky A. A., Mischuk N.A. Superfast electrophoresis of ion-exchanger particles // Colloids and Surfaces. 1992. V. 68. № 3. P. 141–151. https://doi.org/10.1016/0166-6622(92)80198-b
  11. Gamayunov N.I., Murtsovkin V.A., Dukhin A.S. Pair interaction of particles in electric field. 1. Features of hydrodynamic interaction of polarized particles // Colloid J. USSR (Engl. Transl.). 1986. V. 48. № 2. P. 197–203.
  12. Murtsovkin V., Mantrov G. Steady flows in the neighborhood of a drop of mercury with the application of a variable external electric field // Colloid J. 1991. V. 53. P. 240–244.
  13. Gamayunov N.I., Mantrov G.I., Murtsovkin V.A. Study of flows induced in the vicinity of conducting particles by an external electric field // Colloid J. USSR (Engl. Transl.). 1992. V. 54. P. 20–23.
  14. Murtsovkin V.A. Nonlinear flows near polarized disperse particles // Colloid J. 1996. V. 58. P. 341–349.
  15. Barinova N.O., Mishchuk N.A., Nesmeyanova T.A. Electroosmosis at spherical and cylindrical metal surfaces // Colloid J. 2008. V. 70. № 6. P. 695–702. https://doi.org/10.1134/s1061933x08060033
  16. Baygents J.C., Baldessari F. Electrohydrodynamic instability in a thin fluid layer with an electrical conductivity gradient // Phys. Fluids. 1998. V. 10. № 1. P. 301–311. https://doi.org/10.1063/1.869567
  17. Lin H., Storey B.D., Oddy M.H., Chen C.-H., Santiago J.G. Instability of electrokinetic microchannel flows with conductivity gradients // Phys. Fluids. 2004. V. 16. № 6. P. 1922–1935. https://doi.org/10.1063/1.1710898
  18. Chen C.-H., Lin H., Lele S., Santiago J. Convective and absolute electrokinetic instability with conductivity gradients // J. Fluid Mech. 2005. V. 524. P. 263–303. https://doi.org/10.1017/s0022112004002381
  19. Frants E., Amiroudine S., Demekhin E. DNS of nonlinear electrophoresis // Microgravity Sci. Technol. 2024. V. 36. P. 21. https://doi.org/10.1007/s12217-024-10108-w
  20. Squires T., Bazant M.Z. Induced-charge electro-osmosis // J. Fluid Mech. 2004. V. 509. P. 217–252. https://doi.org/10.1017/S0022112004009309
  21. Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane // Physical Review E. 2000. V. 62. № 2. P. 2238–2251. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.2238
  22. Frants E.A., Ganchenko G.S., Shelistov V.S., Amiroudine S., Demekhin E.A. Nonequilibrium electrophoresis of an ion-selective microgranule for weak and moderate external electric fields // Phys. Fluids. 2018. V. 30. № 2. P. 022001. https://doi.org/10.1063/1.5010084
  23. Ganchenko G.S., Frants E.A., Shelistov V.S., Nikitin N.V., Amiroudine S., Demekhin E.A. Extreme nonequilibrium electrophoresis of an ion-selective microgranule // Phys. Rev. Fluids. 2019. V. 4. P. 043703. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.043703
  24. Mishchuk N.A., Barinova N.O. Theoretical and experimental study of nonlinear electrophoresis // Colloid J. 2011. V. 73. № 1. P. 88–96. https://doi.org/10.1134/S1061933X11010133
  25. Ganchenko G.S., Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. Instabilities, bifurcations, and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective microparticle // Phys. Fluids. 2020. V. 32. № 5. P. 054103. https://doi.org/10.1063/1.5143312

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».