Particle Assembly Guided by Electrohydrodynamics and Dielectrophoresis

Abstract

Norwegian: Vanlige utfordringer i forbindelse med oljeutvinning og produksjon av blant annet mat, medisin og kosmetikkprodukter er å hindre at dråper vokser sammen. Prøver man å blande to ikke-blandbare væsker (som vann og olje) vil væskedråpene etter hvert vokse sammen og skille seg. Eksempler på dette fra dagliglivet er saus eller majones som skiller seg, eller et klissent lag med olje som legger seg på toppen av hudkremen. I forskningsprosjektet mitt har vi brukt mikrometer store partikler til å hinder sammenvoksing av dråper. Ved å anvende elektriske felt får vi små partikler inne i dråper til å organisere seg selv i et partikkelag på dråpeoverflater. Dersom dråpene er fullstendig dekket av partikler kan de ikke vokse sammen. Gjennom ulike eksperimenter har vi vist hvordan arealet til partikkellaget (dekningsgraden) kan endres ved å justere styrken på det elektriske feltet. Dermed kan man enkelt kontrollere dråpesammenslåingen.

Overflatepartiklene kan også smeltes sammen for å lage kapsler der skallet har bestemte egenskaper. For eksempel kan man lage kapsler slik at skallet oppløses når det kommer til et bestemt sted i kroppen, og slik at medisin eller annet materiale inne i kapslene slippes ut over en bestemt tidsperiode. Ved å bruke oljedråper med partikler påvirket av elektriske felt har vi funnet en måte å lage kapsler med skall som har forskjellige egenskaper på ulike deler av skallet. En slik kapsel kan for eksempel bestå av en halvdel som er elektrisk ledende, mens den andre halvdelen er isolerende. Hvis enkelte deler tiltrekker hverandre kan kapslene organisere seg i ulike strukturer, noe som gjør at man kan dyrke frem komplekse materialer på en selvorganisert måte. Potensielle applikasjoner for slike kapsler er biokompatible materialer for dyrking av hud eller annet kroppsvev, bygging av porøse vev og kompositter, eller innkapsling og kontrollert utslipp av materialer.

English: Preventing drops to coalesce (grow together) is an ongoing problem for oil recovery and for the food, medicine and cosmetic industry. Fluid drops in a mixture of immiscible fluids (like water and oil) will eventually grow together and separate. There are several examples of this from daily life; for instance a broken sauce or mayonnaise, or a smeary oil layer at the top of your skin lotion. In my PhD project we used micrometer sized particles to prevent drop coalescence. Utilizing electric fields, we make the particles self-organize at drop surfaces in a particle layer. Drop coalescence is prevented if drop are fully covered by particles. We have demonstrated how external electric fields can change the degree of particle coverage, and thus control drop coalescence.

The surface particles may also be sintered together to form capsules with specific properties. For instance, one can make capsules with materials that dissolve at certain places in the body so that medicine (or other materials) inside the capsules are released over a particular time period. By subjecting oil drops with particles to an applied electric field we found a method for fabricating hollow capsules with a shell consisting of two or several patches with different material properties. Such capsules may consist of an electric conductive half, and another half that is non-conducting. If certain patches attract each other, the capsules may organize in various structures. Potential applications for patchy capsules include biocompatible materials and scaffolds for growth of skin or other body tissues, compounding and complex materials, and vehicles for liquid or molecular transport.