交流電動力學
交流電動力學（AC electrokinetics）在微流體（Microfluidics）中扮演重要的腳色，
其涵蓋的範圍相當廣泛，舉凡電滲流（Electro-osmosis flow）、電潤濕（Electrowetting）、
與介電泳（Dielectrophoresis）等皆為相關的重要物理現象，在此分別針對以上所述現象 作簡單扼要的介紹。
4-1 直流電滲流（DC electro-osmosis）
4-1-1 電雙層（Electrical double layer）
電雙層為固體接觸液體的介面上，若固體端表面帶有淨電荷，產生電場吸引相反電 性的離子在介面累積，相同電性的離子被排斥遠離，則液體接近介面處有淨電荷的區域 即稱之為電雙層。電雙層的示意圖如圖 4-1-1 所示。圖中固體表面淨電荷為負電，溶液 中接近固液介面的陽離子被吸引，陰離子被排斥，而遠離介面的離子則不受電場影響。
在帶有淨電荷的液體區域即為電雙層。電雙層可分為兩部份。第一層為Stern layer，在 此層中的離子緊密貼附介面，厚度約為數個溶劑分子的直徑。第二層為 Diffuse layer，
在此區域中與固體表面電荷帶相反電性離子，其濃度成指數遞減。Diffuse layer 的厚度 與溶液中離子濃度、離子價數成反比、與溫度、溶劑介電係數成正比。在25℃的水中，
離子濃度為10-3M，陽離子與陰離子價數皆為 1，則 Diffuse layer 的厚度約為 9.6nm。
圖4-1-1 電雙層示意圖 4-1-2 離子受力平衡
在微流體幫浦的技術中，直流電滲流被廣泛應用。直流電滲流的原理為Diffuse layer 中離子受庫倫力（Coulomb force）作用移動而帶動周圍溶劑分子流動。在玻璃毛細管中，
當水溶液pH 值大於 2 時，玻璃表面帶有負電荷導致溶液在固液介面形成電雙層，在毛 細管兩端施加電位差形成之電場造成庫倫力作用於電雙層，離子移動帶動周遭水分子運 動形成電滲流。在電雙層中，Stern layer 緊密貼附固體表面，僅 Diffuse layer 中離子受 庫倫力與水分子黏滯力作用移動。庫倫力為外加平行於固體表面之電場所施加於離子的
4-2 交流電滲流（AC electro-osmosis）
4-2-1 交流電滲流與直流電滲流的差異 layer 中的陽離子往-x 方向移動。同時，右側電極帶正電壓，其上方 Diffuse layer 中的陰
離子受-x 方向電場作用往+x 方向移動。由於施加訊號為交流電，訊號半週期後，電極 電性變號，但同時電雙層電性亦改變，如圖（b）所示，因此，在一個週期的時間平均 下，電極上方流體帶有淨流量。
圖4-2-2 交流電滲流的示意圖
4-2-3 頻率效應
交流電滲流流速與施加訊號頻率有關，前人實驗結果顯示在某一特徵頻率下流速最 高，在此頻率之上與之下流速遞減，如圖4-2-3。而此特徵頻率與電解質溶液性質有關，
ει ω ~σλD
σ 為溶液導電度、λ 為 Diffuse layer 厚度、ε 為溶劑介電係數、ι 特徵長度。下圖縱軸D 代表在電極上方電滲流流速，橫軸為頻率。
圖4-2-3 交流電滲流的速度-頻率圖 4-2-4 電壓效應
在電化學中，電雙層被稱之為 Nonfaradaic process，即在電極與電解質溶液介面並 無電流穿越，在電極上方的流體帶有相反電性的淨電荷。交流電滲流的研究發現，當電
(a)
(b)
壓加大至某一特定值，電極表面電滲流流動方向反向，此現象被歸因於 Faradaic process。Faradaic process 即為當施加於電極的電壓超過某特定值時，在電極與電解質溶 液接觸介面上會產生電流穿越，進而發生氧化還原現象。在此情況下，電極上方流體帶 有與電極相同電性淨電荷，因而改變電滲流流動方向。圖4-2-4（a）所示為 Nonfaradaic process，電極上方離子帶有與電極電性相反電荷，而 Faradaic process，離子帶相同電性。
圖4-2-4 Nonfaradaic Process 4-2-5 非對稱電極陣列產生淨流量
交流電滲流為利用平面電極產生電極表面電解質溶液流動的現象。若電極為非對 稱，則電極驅動的流場亦非對稱，在特定方向上產生淨流量。非對稱電極陣列如下列側 視圖 4-2-5 所示。下圖計算結果為考慮一非對稱電極陣列（電極寬度分別為 12µm 與 60µm，且為無窮電極陣列）在 Nonfaradaic process 的情況下所造成電極表面電滲流流速 分布。左圖明顯表示在窄電極上方電滲流流速分布遠比寬電極對稱。此流場非對稱性造 成在特定方向上淨流量。
圖4-2-5 非對稱電極陣列的交流電滲流分佈
4-3 微製程交流電滲流幫浦
4-3-1 光微影與軟微影
晶片的製程以光微影製程與軟微影製程，利用光微影方式在已鍍好鉻與金的玻璃基 材上定義電極幾何形狀，再利用濕蝕刻方式在金屬層蝕刻出電極。軟微影方式為先以光 阻 SU8 定義流道幾何的母模，再利用 PDMS 翻模，接著氧電漿處理後貼附於帶有電極 的玻璃基材上。
4-3-2 環狀流道與電解質溶液
流道幾何採用環狀封閉流道，目的為觀察流體因電滲流現象在流道中繞行。流道高 度為50µm，寬度為 150µm。為觀察流體流動現象，在溶液中加入直徑約 1µm 的懸浮粒 子。電解質採用氯化鉀，以去離子水調配出濃度約10-4M 的電解質溶液。
圖4-3-2 環狀封閉流道中的電滲流
4-3-3 實驗
4-3-3-1 Nonfaradaic process
施加訊號為3V peak to peak，頻率 1kHz 時，觀察到幫浦驅動流體由窄電極往寬電 極方向移動，如下圖所示。實驗觀察在非對稱電極陣列的最左端電極，為避免介電泳對 懸浮粒子作用，選擇觀察遠離電極的粒子。訊號輸入後，懸浮粒子開始由窄電極往寬電 極方向移動。施加電壓並不足以造成Faradaic process，故電極上方累積電雙層，與電極 表面電荷相反電性，且電極為非對稱，故流體整體由窄電極往寬電極方向移動。
圖4-3-3-1 以電滲流幫浦驅動流體（窄電極往寬電極流動）
4-3-3-2 Faradaic process
當電極電壓加大至7V peak to peak，Faradaic process 現象明顯，此時觀察到流體流 動方向改變，由寬電極往窄電極方向流動。下圖為懸浮粒子移動時序圖
圖4-3-3-2 以電滲流幫浦驅動流體（寬電極往窄電極流動）
4-4 電濕潤
在 2-6-2 濕潤作用裡面已經將基本電濕潤的原理簡單介紹過一次，簡單地說就是通 電的物體因為物體表面的物理性質會改變，變得親水。這現象通直流電或是交流電都是 一樣的。
將圖2-6-2-2 分析為圖 4-6，假設水珠表面的張力是γ，在液珠同時接觸空氣和固體 的地方（如圖4-4）會有一個接觸角θ（0 < θ < 180 度）。
圖4-4 液珠和空氣與電極接觸示意圖 則水珠在這裡產生的三個張力會形成一個方程式
γSL ＋ γLG cosθ＝γSG
根據這樣的式子，可以判斷位於表面的水珠如果往前的接觸角大於後退的接觸角，水珠 就會向前移動。改變這接觸角的因素，主要就是看固體和液體之間材質的配合。之前提 到的蓮葉便有超級疏水的性質，使接觸角非常地大，讓水容易移動。
如今的科技，已經可以透過電極操縱固體介面的性質。當水珠在電極上面的時候，
在電極與水之間施加電壓，其接觸面的張力會發生變化。水珠張力左右水珠在電極上運 動、也左右水珠的形狀，於是可以透過電來控制水珠運動或是形變。這項技術代表了可 以不透過機械運作，直接給予水珠能量來達到泵水的目的。
4-5 介電泳
介電泳的原理在 2-5-3 有探討，當中提到中性微粒被置於一非均勻電場時，被極化 之微粒因正電極及負電極的牽引力將有所不同，因而產生相對運動。高度極化的微粒會 朝著高密度電場移動，而低極化的微粒則朝著低密度電場移動。
然而微粒在交流電場中也會被極化而運動。這時候整個介電泳系統因為電力線方向 會不斷地改變，因此極化中的微粒也會因此不斷改變自己內部電子的排列。此時除了極 化程度的影響之外，電子在微粒中的移動速度也影響到微粒的移動方向。
以圖形 2-5-3-1 為範例，其電場由直流電交流電，其左右兩邊的電極會正負交替形 成圖 4-5(a)的時間序列。因為內部電子運動很快，它繼續維持往高電場移動；現在將其 中的微粒改成很難被極化的微粒，當電場正負交替改變時會形成圖 4-5(b)的序列。流體 極化程度或是微粒內部會被極化的電子數量都一樣，但是因為微粒內部的電子移動很 慢，來不及到微粒的表層發揮作用時電場就改變了，於是微粒的運動和(a)就完全呈現相 反的結果。
θ γLG
γSG γSL
圖4-5 交流電 DEP 時序圖
DEP 運動的基本原理是依賴微粒的極化量而決定。而在交流電中，極化量成為時變 的，導電速度會影響其整體的極化效果。同樣的微粒若交流電正負交替很快，則 DEP 效果為圖 4-5(a)，交替很慢的時候則為圖 4-5(b)。因此可以透過調整電流頻率控制微粒 移動速度和方向。
4-6 參考文獻
1. N. G. Green, A. Ramos, A. Gonzalez, H. Morgan, and A. Castellanos, ‘Fluid Flow Induced by Nonuniform AC Electric Fields in Electrolytes on Microelectrodes. I. Experimental Measurements,’ Physical Review E, vol. 61, pp. 4011, 2000.
(a)高導體微粒
(b)低導體微粒
(二)、奈米工程概論
(三)、奈米生物技術(串流) 理和應用情形之外，並進一步了解蛋白質unfolding 奈米操控術､蛋白質奈米力量測術､
掃描探針顯微術､原子力顯微術､生物空間微定位技術、分子奈米薄膜表面自組裝技術、
植物病毒篇：Biochemical and Biophysical Basis of Viral Structure
工程_光學分子影像篇：全反射螢 光顯微術之生物單分子奈米偵測
產業應用_生醫篇
(四)、奈米工程技術概論
7.明白各種奈米操控(AFM、SPM)的方法。
8.明白國內與國際奈米未來發展的趨勢方向和未來挑戰。
▓學習目標
d. 光譜學與單分子結構分析 (Single Molecular or Nano-object Spectroscopy)
e. 奈米材料之磁學特性與分析技術