Elektrophorese - Freie Universität Berlin
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Elektrophorese Martin Lenders Freie Universität Berlin Proseminar „Technische Informatik“, WS 2009/2010 Überblick Einleitung Elektronisches Papier Der Prototyp: EPID-Panel E-Ink SiPix Herstellungsverfahren für elektronisches Papier elektrophoretischen Flüssigkeit E-Ink-Papier SiPix-Papier Physikalische Grundlagen Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 2 Einleitung Was ist Elektrophorese? É gr. electron, der Bernstein; gr. phoresis, das Tragen É erstmal beobachtet durch F. F. Reuß (1809) Definition: Elektrophorese bezeichnet Wanderung elektrisch geladener Teilchen in einer Lösung, Suspension oder kolloidalen Lösung unter Einfluss eines elektrischen Feldes. FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 3 Einleitung Was ist Elektrophorese? É gr. electron, der Bernstein; gr. phoresis, das Tragen É erstmal beobachtet durch F. F. Reuß (1809) Definition: Elektrophorese bezeichnet Wanderung elektrisch geladener Teilchen in einer Lösung, Suspension oder kolloidalen Lösung unter Einfluss eines elektrischen Feldes. Einsatzgebiete: É Einsatz in der Chemie zur Trennung hochmolekularer Strukturen É Tauchlackierung É Elektrophoretische Displays (EPD) = E-Papier FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 3 EPID-Panel I weiß É É É schwarz 1973 erstmals vorgestellt elektrophoretisches Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden Sieben- und Vierzehnsegmentanzeigen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 4 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: É one-particle-systems É Partikel in gefärbter Flüssigkeit FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: É one-particle-systems É É Partikel in gefärbter Flüssigkeit Partikelbewegung durch gefärbte poröse Wand FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: É one-particle-systems É É É Partikel in gefärbter Flüssigkeit Partikelbewegung durch gefärbte poröse Wand two-particle-systems É Partikel haben unterschiedliche Ladung FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5 EPID-Panel II weiß schwarz Elektrophoreretische Flüssigkeit: É one-particle-systems É É É Partikel in gefärbter Flüssigkeit Partikelbewegung durch gefärbte poröse Wand two-particle-systems É É Partikel haben unterschiedliche Ladung Partikel haben unterschiedliche elektrophoretische Mobilität FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 5 E-Ink É am MIT entwickelt É Umsetzung der „two particle“-Variante des EPID É Elektrophoretische Flüssigkeit in Microkapseln É Vermarktung seit 1999 FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 6 SiPix É 2003 durch SiPix entwickelt É Umsetzung der „one particle“-Variante des EPID É Elektrophoretische Flüssigkeit in Microcups FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 7 elektrophoretischen Flüssigkeit É É É É Pigment-Partikel in flüssigem Polyethylen zerstäubt und gehärtet resultierende Partikel gesiebt ⇒ Durchmesser: ≤ 5 µm Partikel in Gemisch aus Tetrachloroethylen und anderen Kohlenwasserstoffen ⇒ Partikel und Flüssigkeit: Etwa gleiche Dichte weitere Stoffe (wie Farbstoffe oder Tenside) FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 8 Herstellung von E-Ink-Papier Herstellung von E-Ink-Papier: É É É É Elektrophoretisches Gemisch in wässrige Lösung ⇒ Tröpfchenbildung Polykondensation von Urea und Formaldehyd an deren Oberfläche ⇒ Transparente, harte Polymerschicht Kapseln in UV-härtendem Urethan auf ITO-Film aufgetragen mit silberdotierter Tinte rückseitige Elektrode aufgedruckt FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 9 Herstellung von SiPix-Papier FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 10 Physikalische Grundlagen I É Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F = Eq FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11 Physikalische Grundlagen I É Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F = Eq É Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: FR = 6πrηv FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik (Stokes’sches Gesetz) 11 Physikalische Grundlagen I É Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F = Eq É Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: FR = 6πrηv É (Stokes’sches Gesetz) Gleichsetzung: v= Eq 6πrη = Em m bezeichnet die elektrophretische Mobilität: m= FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik q 6πrη v = E 11 Physikalische Grundlagen I É Kraft auf ein Teilchen im elektrischen Feld: F = Eq É Gegenkraft: Reibungskraft/Strömungskraft: FR = 6πrηv É (Stokes’sches Gesetz) Gleichsetzung: v= Eq 6πrη = Em m bezeichnet die elektrophretische Mobilität: m= É q 6πrη v = E Was ist, wenn das Teilchen keine Ladung hat? FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 11 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht – – – – – + + + + – – – – – + + + + + + + + + +++++++++++++++++++++++++ – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht É Oberflächenladungsdichte σ durch Bewegung von geladenen Teilchen in der Flüssigkeit: σ = ζϵϵ0 ⇒ Kraft auf das Teilchen: F = σE – – – – – + + + + – – – – – + + + + + + + + + +++++++++++++++++++++++++ – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12 Physikalische Grundlagen II Antwort: (elektrolytische) Doppelschicht É Oberflächenladungsdichte σ durch Bewegung von geladenen Teilchen in der Flüssigkeit: σ = ζϵϵ0 É ⇒ Kraft auf das Teilchen: F = σE Nach Smoluchowski Berechnung von m daher auch wie folgt: σ ζϵϵ0 m= = η η – – – – – + + + + – – – – – + + + + + + + + + +++++++++++++++++++++++++ – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + Teilchenoberfläche FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 12 Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien Vorteile: É hohes Kontrastvermögen zwischen Schwarz und Weiß É Lesbarkeit vom Winkel unabhängig É Energieeffizient É Unabhängigkeit vom Trägermaterial É geringes Gewicht É sehr flexibel und robust FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 13 Vergleich mit anderen Bildschirmtechnologien Vorteile: É hohes Kontrastvermögen zwischen Schwarz und Weiß É Lesbarkeit vom Winkel unabhängig É Energieeffizient É Unabhängigkeit vom Trägermaterial É geringes Gewicht É sehr flexibel und robust Nachteile: É langsamere Schaltzeiten É Farbdarstellung noch in den Kinderschuhen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 13 Zusammenfassung É É É Elektrophorese bildet die Grundlage für E-Papier Grundlagen-Forschung: EPID-Panel Technologien: É É É É É E-Ink SiPix Herstellung ähnelt meist Druckverfahren Bewegung der Teilchen durch elektrophoretische Mobilität bestimmt technische Entwicklung noch in den Kinderschuhen FU Berlin, Elektrophorese, PS Technische Informatik 14
