In een smal kanaaltje gevuld met water heeft de wand meestal van nature een kleine lading. Die elektrische lading trekt ionen in het water aan, waardoor een dun laagje water dicht bij de wand ook een lading krijgt, precies tegengesteld aan de lading van de wand zelf. Als er nu een spanning over de lengte van het kanaal wordt gezet, gaat dit dunne laagje bewegen en sleept het de rest van het water mee. Daardoor stroomt het water in een richting die jij bepaalt.
Water beweegt door microkanalen
Rob Lammertink, hoogleraar technische natuurkunde aan de Universiteit Twente, onderzoekt hoe moleculen en ionen zich gedragen vlak bij membranen en grensvlakken. In zijn lab demonstreert hij elektro-osmose in een microkanaal, een kanaaltje niet breder dan een mensenhaar. "Je plaatst positieve en negatieve elektroden in het vloeistofkanaal en creëert een hoog spanningsverschil. Hierdoor wordt de vloeistof gedwongen te stromen."
Water beweegt door elektro-osmose bij 500, 250 en 750 Volt
Werkt elektro-osmose altijd?
Maar elektro-osmose stelt voorwaarden. De eerste is spanning. Voor een microkanaal van enkele centimeters heeft Rob al zo'n 700 volt nodig, drie keer de netspanning in een gewoon huis, om het water met een millimeter per seconde te laten stromen. "Als je dit over meters gaat doen, heb je tienduizenden volt nodig. Dat is niet te doen; dat is ongeveer een hoogspanningsleiding."
De tweede voorwaarde gaat niet over schaal maar over contact. Elektro-osmose werkt via de directe wisselwerking tussen elektrische lading en vloeistof. Die wisselwerking vereist fysiek contact. "Je kunt geen elektromagnetische straling gebruiken om elektro-osmose te krijgen", zegt Rob. "De elektroden moeten in contact staan met de vloeistof."
Klein, maar krachtig
Binnen die grenzen is elektro-osmose een handig instrument. Lab-on-a-chip-systemen maken er gebruik van om minuscule hoeveelheden vloeistof door kleine kanaaltjes te sturen, zonder bewegende onderdelen. Dat is essentieel voor medische diagnostiek en chemische analyses ter plekke. Op die manier kun je bijvoorbeeld DNA en eiwitten analyseren.
Robs eigen onderzoeksgroep aan de UT werkt aan soortgelijke verschijnselen. Zijn groep gebruikt microfluïdische platforms om te begrijpen hoe elektrische lading en vloeistoftransport elkaar beïnvloeden bij en in membranen. Die kennis is bijvoorbeeld direct toepasbaar bij het zuiveren van water van medicijnresten en andere microverontreinigingen, maar ook bij het maken van groene waterstof door electrolyse van water.
