專利名稱：通過恒定電場傳輸微米級物體以及獲得機(jī)械功的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過恒定電場傳輸微米級物體以及獲得機(jī)械功。
背景技術(shù)：
通常，交流電場用于震蕩運(yùn)動和周期運(yùn)動。在這種情況下，通過電流的產(chǎn)生而導(dǎo)致運(yùn)動。在微米級中，由于表示流動的慣性力與粘性力之間的大小之比的雷諾數(shù)很低，因此被認(rèn)為很難從機(jī)械運(yùn)動中獲取功。非專利文件1描述了在油中恒定電場對直徑為幾十微米的水滴的作用。微米級范疇通常也認(rèn)為是低雷諾數(shù)范疇，該微米級范疇為本發(fā)明的主題。在這個規(guī)模的范疇里，眾所周知，僅僅在不具有方向性的直線上做周期運(yùn)動不能獲得功。因此，如非專利文件1所描述的，僅僅通過直線往復(fù)運(yùn)動不可能獲得功。有鑒于此，需要提供一種技術(shù)，該技術(shù)在微米級上，在恒定的電場內(nèi)也能夠隨意使物體運(yùn)動，傳輸物體并且獲得機(jī)械功。同樣，已知非專利文件2到5。這些文件描述了使微小物體做線性運(yùn)動，但在這些文件中，不能做對于獲得功最重要的二維運(yùn)動并且也沒有關(guān)于這種想法的描述。在納米級到微米級，雷諾數(shù)非常小，物體的慣性力不起重要的作用，并且環(huán)境的粘性力快速地減弱物體的運(yùn)動。因此，應(yīng)當(dāng)提供某些驅(qū)動能量用以連續(xù)地推動該物體。如上所描述的，微小物體的運(yùn)動提出了非線性系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。此外，推動和控制包含生物聚合物和細(xì)胞等微小物體的能力在應(yīng)用物理學(xué)和生物物理學(xué)的研究中、以及微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)禾口微全分析(Micro Total Analysis System, μ TAS)技術(shù)中很重要，現(xiàn)已積極開發(fā)出大量適宜技術(shù)，然而，離實際使用還很遠(yuǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)文件非專利文件非專利文件1 :Masahiko Hase, Shun N. Watanabe 和 Kenichi Yoshikawa, PHYSICAL REVIEW E 74,046301 2006。非專利文件2 :T. Mochizuki, Y. Mori 和 N. Kaji, AIChE Journal 36，1039(1990)。非專利文件3 :J. Eow，M. Ghadiri 和 A. Sharif，Colloids Surf. A 225,193(2003)。非專利文件4 :Y. Jung，H. Oh 和 I. Kang，J. Colloid Interface Sci. 322， 617(2008)。非專利文件 5 :ff. D. Ristenpart, J. C. Bird, A. Belmonte, F. Dollar 和 H. A. Stone, Nature 461,377(2009)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題本發(fā)明的目的在于提供一種技術(shù)，該技術(shù)即使在恒定的電場中不產(chǎn)生電流也能隨
5意使物體微米級運(yùn)動并傳輸該物體，并獲得機(jī)械功。解決問題的手段經(jīng)過努力，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過在絕緣流體比如油內(nèi)安裝用于為微米級(在本說明書中，通常指幾納米到1000微米的范圍)等的電介質(zhì)體產(chǎn)生電場的兩個電極，使這兩個電極的中心軸不在同一直線上而施加電場(比如恒定電場)，可隨意三維地傳輸該電介質(zhì)體， 從而可獲得機(jī)械功(圖1)。在本發(fā)明中，電介質(zhì)體為任意的電介質(zhì)物體，比如水滴、聚苯乙烯珠、玻璃珠等等，并且已揭示只要是電介質(zhì)體，該微米級物體就不依賴于是什么物質(zhì)。也揭示出周圍介質(zhì)可為任何絕緣流體，而不限于油。本發(fā)明還解決了在非專利文件1到5中沒有認(rèn)識到的問題。因此，可以說本發(fā)明已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，在實施旋轉(zhuǎn)運(yùn)動上取得了世界首次的成功，該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是對于獲得功最重要的二維運(yùn)動之一。此外，由于前面所提到的非專利文件1到5完全缺乏獲得功的觀點(diǎn)，因而從這些文件中不容易想到本發(fā)明。換言之，這些文件僅僅在“運(yùn)動”這一點(diǎn)上進(jìn)行了描述，但對作為本發(fā)明的特征的“獲得功”這一點(diǎn)甚至都沒暗示，也沒有關(guān)于在恒定電場內(nèi)進(jìn)行高維循環(huán)運(yùn)動的報道。為了從微米級運(yùn)動中獲得功和能量，需要至少二維的循環(huán)運(yùn)動。本發(fā)明報道的作為電介質(zhì)體的微小物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在開發(fā)簡單有用的用于控制微小物體的策略上可能有用。S卩，本發(fā)明的重要性在于除了簡單地使得液滴運(yùn)動外，成功實現(xiàn)了非常重要的循環(huán)運(yùn)動，并且也證明了利用本發(fā)明中的循環(huán)運(yùn)動可獲得功。本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定直流電場內(nèi)油相的微小水滴的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在正電極和負(fù)電極適當(dāng)幾何排列下，液滴進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在本發(fā)明中，超過特定的臨界電位時發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 其頻率隨著電位的增加而增加。本發(fā)明提供了描述發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的簡單理論模型，以及用于實現(xiàn)微旋轉(zhuǎn)電機(jī)的本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用實例。因此，本發(fā)明提供下述(1) 一種傳輸電介質(zhì)體或獲得機(jī)械功的方法，包括下列步驟A)設(shè)置用于產(chǎn)生電場的兩個電極，使得所述兩個電極的中心軸不在同一直線上， 并且在絕緣流體內(nèi)給所述電介質(zhì)體施加電場。(2)如上面所描述的方法，其中所述電介質(zhì)體為微米級，并且微米級的范圍為幾納米到1000微米。(3)如上面所描述的方法，其中所述微米級的范圍為1微米到100微米。(4)如上面所描述的方法，其中所述電介質(zhì)體指施加靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不生成電流的物質(zhì)，并且是具有靜電極化率的物質(zhì)。(5)如上面所描述的方法，其中所述電介質(zhì)體選自水滴，聚合體物質(zhì)比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)或者聚丙烯酰胺凝膠，以及玻璃珠構(gòu)成的組。(6)如上面所描述的方法，其中所述水滴使用表面活性劑生成。(7)如上面所描述的方法，其中所述表面活性劑使用二油酰磷脂酰膽堿(Dioleoyl Phosphatidylcholine，D0PC)、二油酰磷脂酰乙醇胺 (Dioleoyl Phosphatidylethanolamine, DOPE)、 二油酰磷脂酰絲氨酸(Dioleoyl Phosphatidylserine, D0PS)、磷脂酸甘油酯(Egg PC)、十八烷基三甲基氯化銨(Stearyl Trimethyl Ammonium Chloride，STAC)、十八烷基三甲基溴化銨(Stearyl TrimethylAmmonium Bromide, STAB)、十二烷基硫酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)、十二烷基三甲基氯化銨、戊乙二醇十二烷基醚等等生成。這里，表面活性劑是一個分子中具有親水基和疏水基的物質(zhì)，并且能夠在疏水的油液中形成水滴，該物質(zhì)存在于油與水之間的界面處。(8)如上面所描述的方法，其中所述絕緣流體是非揮發(fā)性、不具有導(dǎo)電性以及在常溫常壓下流動的物質(zhì)，并且其相對于所述微米級電介質(zhì)體的比重在+/-50 %以內(nèi)。(9)如上面所描述的方法，其中所述絕緣流體選自礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油構(gòu)成的組。(10)如上面所描述的方法，其中所述電場為恒定電場。(11)如上面所描述的方法，其中所述電場的范圍為IV到1000V。(12)如上面所描述的方法，其中用于產(chǎn)生所述電場的陽極和陰極設(shè)置為它們的中心軸彼此不平行。由于電極的中心軸處于同一直線上的方式不能獲得循環(huán)運(yùn)動，因此不對稱設(shè)置很重要。進(jìn)一步地，不平行設(shè)置比平行設(shè)置更可獲得循環(huán)運(yùn)動。(13)如上面所描述的方法，其中所述電極為具有鋒利尖端的棱錐形或圓錐形，或者為棱柱或圓柱形，并且其材料具有導(dǎo)電性。(14)如上面所描述的方法，其中所述電極為導(dǎo)電物質(zhì)，比如鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、 銅、鐵或鋁等。(15)如上面所描述的方法，其中通過具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組產(chǎn)生所述電場，并且該具有至少兩個電極的電極組的方向為至少兩個電極彼此處于不同的方向，該方法進(jìn)一步包括通過控制所述電場以及用于產(chǎn)生所述電場的電極的空間設(shè)置來改變運(yùn)動的路線或模式的步驟。(16)如上面所描述的方法，其中所述控制的實現(xiàn)是通過使用能夠?qū)θS的每個坐標(biāo)在1微米單位上進(jìn)行操作的微操作器來操作每個坐標(biāo)，通過手或鑷子操作，將電極轉(zhuǎn)換到需要的位置以實現(xiàn)所述控制。(17)如上面所描述的方法，進(jìn)一步包括通過空間控制所述電極以及控制施加電壓的強(qiáng)度來間接控制所述電介質(zhì)體以傳輸所述電介質(zhì)體的步驟。(18)如上面所描述的方法，其中在所述電介質(zhì)體可運(yùn)動的空間內(nèi)進(jìn)一步設(shè)置微型渦輪機(jī)，微型渦輪機(jī)隨電介質(zhì)體運(yùn)動而運(yùn)動從而獲得功，該微型渦輪機(jī)具有旋轉(zhuǎn)軸和刀片部分，該刀片繞該旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。這里，該微型渦輪機(jī)可通過微制作技術(shù)制造，例如，該微型渦輪機(jī)為尺寸在1微米到100微米的物體，包括旋轉(zhuǎn)軸和和刀片部分，該刀片可圍繞該旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。比如，包括具有加工成微米級二氧化硅層的水輪(比如用于Y. Hiratsuka,M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103，13618-13623 (2006)等等上的那些)。(19)如上面所描述的方法，其中所述電介質(zhì)體為兩個以上，并且使所述兩個以上的電介質(zhì)體集體運(yùn)動而起到電機(jī)的作用。(20)對于聚合物的機(jī)械控制、藥物的液滴傳輸、化學(xué)反應(yīng)、藥物的制備、生物樣品的非接觸傳輸以及微通道，給出了下列描述。聚合物的機(jī)械控制建立了使DNA等聚合物的兩端分別與分離的聚合物小珠結(jié)合的技術(shù)。由于使用本研究的成果可隨意控制附著在聚合物兩端的聚合物小珠，因此可機(jī)械地控制該聚合物。藥物的液滴傳輸由于可如上所述生成水滴，通過將藥物放入水滴可容易地進(jìn)行傳輸?；瘜W(xué)反應(yīng)通過使傳輸中的液滴彼此碰撞而使其融合，在液滴中開始化學(xué)反應(yīng)。藥物的制備類似于化學(xué)反應(yīng)，通過使傳輸中的液滴彼此碰撞而使其融合，進(jìn)行混合等等。那些不希望混合的液滴可在開始反應(yīng)前在單獨(dú)液滴中制備，并且這些液滴可在希望混合的地方混合。此外，這可以在很小的微米級空間實現(xiàn)。生物樣品的非接觸傳輸本技術(shù)也可應(yīng)用于作為一種電介質(zhì)體的細(xì)胞或生物聚合物上。微通道的結(jié)合類似于前面提到的微型渦輪機(jī)。其為微技術(shù)的一部分。與半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合意味著使用半導(dǎo)體裝置和電路基板來控制電場，而非直接控制運(yùn)動。 本發(fā)明也提供了關(guān)于裝置的下列發(fā)明。(21) 一種傳輸電介質(zhì)體的裝置，包括A)用于接收電介質(zhì)體的絕緣流體；以及B)存在于絕緣流體中、用于施加包括兩個電極的電場的設(shè)備，這兩個電極設(shè)置為它們的中心軸不在同一直線上。這里，用于施加電場的設(shè)備可為在絕緣流體中的配置有電極并可施加電壓的任何
直ο(22) 一種用于獲得機(jī)械功的裝置，包括A)絕緣流體；B)設(shè)置在絕緣流體內(nèi)的電介質(zhì)體；C)存在于絕緣流體中、用于施加包括兩個電極的電場的設(shè)備，這兩個電極設(shè)置為它們的中心軸不在同一直線上；以及D)用于從電介質(zhì)體中獲得機(jī)械功的設(shè)備。作為用于從電介質(zhì)體中獲得機(jī)械功的設(shè)備或者用于將電介質(zhì)體的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為功的設(shè)備，可使尺寸大約為1微米到幾千微米的螺旋槳狀的物質(zhì)如水輪般轉(zhuǎn)動從而作為渦輪機(jī)獲得功，或使磁化物質(zhì)粘附到電介質(zhì)體上以間接控制電場，通過在相鄰位置設(shè)置渦輪機(jī)
可獲得功。在進(jìn)一步的實施例中，本發(fā)明也提供了關(guān)于裝置的下列發(fā)明。(23)如上面所描述的裝置，其中所述電介質(zhì)體為微米級，并且微米級的范圍為幾納米到1000微米。(24)如上面所描述的裝置，其中所述微米級的范圍為1微米到100微米。(25)如上面所描述的裝置，其中所述電介質(zhì)體指施加靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不生成電流的物質(zhì)，并且是具有靜電極化率的物質(zhì)。(26)如上面所描述的裝置，其中所述電介質(zhì)體為水滴，聚合體物質(zhì)比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(PolydimethylsiloxanhPDMS)或者聚丙烯酰胺凝膠，以及玻璃珠等。(27)如上面所描述的裝置，其中所述水滴使用表面活性劑生成。(28)如上面所描述的方法，其中所述表面活性劑使用二油酰磷脂酰膽堿(DOPC)、 二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰絲氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯(Egg PC)、十八烷基三甲基氯化銨(STAC)、十八烷基三甲基溴化銨(STAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基三甲氯化銨、戊乙二醇十二烷基醚等等生成。(29)如上面所描述的裝置，其中所述絕緣流體是非揮發(fā)性、不具有導(dǎo)電性以及在常溫常壓下為流動的物質(zhì)，并且其相對于所述微米級電介質(zhì)體的比重為+/-50%以內(nèi)。(30)如上面所描述的裝置，其中所述絕緣流體選自礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油構(gòu)成的組。(31)如上面所描述的裝置，其中所述電場為恒定電場。(32)如上面所描述的裝置，其中所述電場的范圍為IV到1000V。(33)如上面所描述的裝置，其中用于產(chǎn)生所述電場的陽極和陰極不對稱地設(shè)置為它們的中心軸彼此不平行。(34)如上面所描述的裝置，其中所述電極為具有鋒利尖端的棱錐形或圓錐形，或者為棱柱或圓柱形，并且其材料具有導(dǎo)電性。(35)如上面所描述的裝置，其中所述電極為選自鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、銅、鐵和鋁構(gòu)成的組的導(dǎo)電物質(zhì)。(36)如上面所描述的裝置，其中用于施加電場的所述設(shè)備為具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組，并且該具有至少兩個電極的電極組的方向為至少兩個電極彼此處于不同的方向。(37)如上面所描述的裝置，進(jìn)一步包括能夠?qū)θS的每個坐標(biāo)在1微米單位上進(jìn)行操作的微操作器，該微操作器操作每個坐標(biāo)以將電極轉(zhuǎn)換到需要的位置，或者進(jìn)一步包括鑷子。(38)如上面所描述的裝置，進(jìn)一步包括通過空間控制所述電極以及控制施加電壓的強(qiáng)度來間接控制電介質(zhì)體以傳輸所述電介質(zhì)體的設(shè)備。(39)如上面所描述的裝置，進(jìn)一步包括微型渦輪機(jī)。這種微型渦輪機(jī)包括具有加工成微米級二氧化硅層的水輪(比如用于Y. Hiratsuka, M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103,13618-13623(2006)等等上的那些)。(40)如上面所描述的裝置，其中所述電介質(zhì)體為兩個以上，并且使兩個以上的該電介質(zhì)體集體運(yùn)動而起到電機(jī)的作用。(41)如上面所描述的裝置，用于聚合物的機(jī)械控制、藥物的液滴傳輸、化學(xué)反應(yīng)、 藥物的制備、生物樣品的非接觸傳輸、或者微通道。對上面所描述的每個方面，可以理解的是本說明書描述的每個實施例只要可以應(yīng)用，就可用于其他方面。發(fā)明效果綜上所述，通過施加恒定的電場，本發(fā)明成功使得微米級電介質(zhì)體產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動。 因此，本發(fā)明提供了旋轉(zhuǎn)電機(jī)似的運(yùn)動，并且獲得了產(chǎn)生振蕩性和周期性運(yùn)動的能力，這在交流電場中是不可能的。同樣，本發(fā)明實現(xiàn)了通過電場強(qiáng)度和電極的空間設(shè)置可隨意改變運(yùn)動路線和運(yùn)動模式，而非通過電流運(yùn)動，因為沒有電流。此外，不需要在恒定電場接觸就可以獲得電機(jī)似的運(yùn)動，這一點(diǎn)非常重要，并且已揭示出以非接觸的方式可傳輸物體。尤其是，如圖3所示，當(dāng)電極設(shè)置在同一直線上時只可獲得簡單的周期運(yùn)動(非專利文件1)，然而，如圖3的中心圖和右邊圖所示，當(dāng)電極設(shè)置為不在同一直線上時，實現(xiàn)在作用于電介質(zhì)體的力中，利用作用在帶電體上的力(見圖4(i))和電介質(zhì)力之間的電介質(zhì)力(見圖4(ii))的狀態(tài)，因此能夠獲得循環(huán)運(yùn)動。傳統(tǒng)技術(shù)不能預(yù)見這種狀態(tài)是否可以實現(xiàn)，這種狀態(tài)在教科書中也不明顯，因此可以說是新的技術(shù)。從非專利文件1等等中描述的方案本身，不容易想到這一點(diǎn)，可以說本發(fā)明的一個重要的作用在于，本發(fā)明通過使兩個電極的中心軸設(shè)置為不在同一直線上，首先實現(xiàn)了作為不可預(yù)見現(xiàn)象的循環(huán)運(yùn)動。最后，雖然通常很難從雷諾數(shù)很低的微米級的機(jī)械運(yùn)動中獲得功，本發(fā)明在使其成為可能上發(fā)揮了重要的作用。
出現(xiàn)在多個圖中的同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的元件。圖1為微米級物體傳輸?shù)母拍顖D；圖1A為陰極和陽極實質(zhì)設(shè)置為不在同一直線上的示意圖，示出了本發(fā)明中的用于產(chǎn)生電場的陰極和陽極設(shè)置為不在同一直線上是有利的；圖1B為說明中心軸不平行的情況的圖，顯示出比在平行的情況下更能獲得循環(huán)運(yùn)動；圖1C為實驗設(shè)置的側(cè)視圖。包含水滴的礦物油設(shè)置在載玻片上，并且礦物油中插入電極。通過使用顯微鏡，從上面觀察實驗。V是施加在電極之間的恒定電壓。X-Z坐標(biāo)是垂直平面。0(原點(diǎn))是負(fù)電極的頂點(diǎn)。圖ic(b)是基于實驗設(shè)置的圖(顯微鏡圖像)。 X-Y坐標(biāo)是水平平面。這里，在圖ic(a)和圖lC(b)中，100表示水滴，102表示礦物油，104 表示負(fù)電極，106表示載玻片，108表示恒定電壓，110表示正電極，以及112表示顯微鏡的物
^Ml O數(shù)學(xué)公式1χ = (x, y)是水滴的中心，(1，d)是正電極的頂點(diǎn)；圖2顯示了實驗設(shè)置(左邊)和循環(huán)運(yùn)動的水滴的連續(xù)快照進(jìn)行重疊的合成照片(右邊)。電極由鎢做成；表面活性劑磷脂DOPC ；圖2A到圖2A(d)顯示了油包水(w/o)微液滴的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。滿足1= d = 100 微米。液滴的尺寸為r = 17. 1微米。左邊的圖顯示了疊置的液滴快照。中心的圖列顯示了液滴隨時間的變化，由x(實線)和Y(虛線)表示。右邊的圖顯示了傅里葉變換的頻譜， 由x(實線)和y (虛線)表示。在圖2A(a)中，V = 20V，顯示了每2秒的快照。在圖2A(b) 中，V = 60V，顯示了每0.4秒的快照。在圖2A(c)中，V= 120V，顯示了每0.2秒的快照。 在圖2A(d)中，V= 160V，顯示了每0.2秒的快照。圖2A(e)顯示了數(shù)值模擬。左邊的圖顯示了液滴的軌跡。中間的圖顯示了隨時間變化的數(shù)據(jù)。右邊的圖顯示了傅里葉變換的頻譜。這里，在圖2A(a)到(e)中，221表示起始點(diǎn)。210表示微滴，212和215表示電極。用于圖2A(e)模擬中的恒定電場和數(shù)字參數(shù)在實例中描述；圖3顯示了重疊的快照(另一個實驗實例)。在該圖中，編號(a)到(C)顯示了電極的各種設(shè)置。這里，(a)電極設(shè)置(左邊)在平行方向上距離中心軸120微米；在垂直方向為0微米；(b)電極設(shè)置(中間)在平行方向上距離中心軸120微米；在垂直方向為 40微米；(c)電極設(shè)置(右邊)在平行方向上距離中心軸120微米；在垂直方向為120微
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圖4顯示了物理模塊和模擬的結(jié)果。左邊描述了解釋本發(fā)明的運(yùn)動方程，右邊顯示了其計算結(jié)果。即，圖4左邊(I)指粘性很強(qiáng)時的運(yùn)動方程(過阻尼系統(tǒng))。至于運(yùn)動方程的右邊，(i)右邊的第一項表示作用在帶電體上的力，其中，顯示了帶電電介質(zhì)體與電極吸引或排斥；以及(ii)右邊的第二項表示作用在電介質(zhì)體上的力，其中顯示了將電介質(zhì)體吸引到電力線密度較高的一邊。圖4左邊(II)指關(guān)于電荷充電和放電的方程，表示了電極接觸的情況以及電極彼此不接觸的情況。電極彼此接觸時，電荷充電，而當(dāng)電極彼此不接觸時，則放電。圖4中右上方的圖顯示了模擬的結(jié)果。由于圖4左邊(I)顯示的(i)和 ( )的力方向彼此不同，因此力的平衡決定運(yùn)動方向。即，根據(jù)該平衡而發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；圖5是具體解釋模擬結(jié)果的示意圖。該圖中，編號⑴到(5)分別顯示了，⑴ 從正電極向電介質(zhì)體充電荷；(2)陽極和帶正電的電介質(zhì)體通過靜電排斥力彼此排斥，并且正電荷逐漸泄漏；(3)靜電吸引力作用，吸引到電極的陰極并接觸；(4)從陰極向電介質(zhì)體充電荷；( 在負(fù)電極和負(fù)電荷電介質(zhì)體之間產(chǎn)生靜電排斥力，并且電荷逐漸泄漏；圖5A在圖5A，圖5A(a)到圖5A(f)是表示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的頻率對施加的電壓的依賴性。在圖5A(a)中，r= 14.0微米(r表示微滴的直徑)，在圖5A(b)中，r= 17. 1微米，在圖5A(c)中，r = 18.8微米，在圖5六((1)中，r = 19. 5微米，在圖5A(e)中，r = 31. 8微米， 以及在圖5A(f)中，r = 34. 6微米。區(qū)域(I)到(III)對應(yīng)圖5A(g)中的相位圖的運(yùn)動模式。5A(g)顯示了依賴于施加電壓的液滴運(yùn)動。這里，在5A(g)中，Gl表示(模式I)非旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，G2表示(模式II)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及G3表示(模式III)伴隨有電極束縛的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；圖6為顯示隨意傳輸和獲取功的示意圖。在該圖中，編號(a)和(b)分別顯示 (a)隨意傳輸；和(b)獲取功。至于各附圖標(biāo)記，600表示微米級電介質(zhì)體，610表示微型渦輪機(jī)，602、604、606、608、612 和 614 表示電極；圖7為通過微米級電介質(zhì)體集體運(yùn)動對電機(jī)和聚合物進(jìn)行機(jī)械控制的示意圖。 在該圖中，編號(a)和(b)分別顯示(a)通過微米級電介質(zhì)體集體運(yùn)動對電機(jī)；和(b)聚合物進(jìn)行機(jī)械控制。至于各附圖標(biāo)記，700表示微米級電介質(zhì)體，710表示聚合物，702、704、 712、714、716和718表示電極；圖8為藥物或化學(xué)藥品等的液滴傳輸、液滴融合后的化學(xué)反應(yīng)、藥物或化學(xué)藥品的制備、生物樣品比如細(xì)胞的非接觸傳輸?shù)氖疽鈭D。在該圖中，編號(a)到(c)分別顯示(a) 藥物或化學(xué)藥品等的液滴傳輸、液滴融合后的化學(xué)反應(yīng)、藥物或化學(xué)藥品的制備；和(b)生物樣品比如細(xì)胞的非接觸傳輸。由于細(xì)胞因接觸受到破壞，因此“非接觸”這一點(diǎn)非常重要。避免了液體浪費(fèi)，實現(xiàn)了低成本，實現(xiàn)了也具有微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis System, μ TAS)性質(zhì)的傳輸。至于各附圖標(biāo)記，800表示液滴，810表示生物樣品，802、804、 806、808、812、814、816 和 818 表示電極；以及圖9為微通道示意圖。電介質(zhì)體引入到圓形通道。通過與微通道結(jié)合獲得更大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。至于各附圖標(biāo)記，900表示圓形通道，902和904表示電極。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明。在整個說明書中，應(yīng)當(dāng)理解，除非另外標(biāo)注，否則單數(shù)形式的表達(dá)包括了復(fù)數(shù)形式的概念。因此，應(yīng)當(dāng)理解，除非另外標(biāo)注，否則用于單數(shù)形式的冠詞(比如英語中的“a”，“an”，“the”等等)包含復(fù)數(shù)形式的概念。進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)理解，除非另外標(biāo)注，否則用于本說明書的術(shù)語表示通常使用于該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的意義。因此，除非另外標(biāo)注，否則本說明書中所有的技術(shù)術(shù)語和科技術(shù)語具有相同與本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的一樣。在矛盾的情況下，以本說明書(包括定義)優(yōu)先。(術(shù)語定義)在本說明書中，“電介質(zhì)體”指不具有在電導(dǎo)中起作用的自由電子，并在施加電場時發(fā)生電極化的物質(zhì)。通常，電介質(zhì)體指在應(yīng)用靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不生成電流的物質(zhì)，該電介質(zhì)體具有靜電極化率。該電介質(zhì)體包括，比如水滴、聚合體物質(zhì)(比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷(PolydimethylsiloxanhPDMQ或者聚丙烯酰胺凝膠)以及玻璃珠。在本說明書中，“傳輸”的意思與本技術(shù)領(lǐng)域中通常使用的意思一樣，指使目標(biāo)物體運(yùn)動。在本說明書中，“機(jī)械功”也稱為“功”，是指當(dāng)在物體運(yùn)動方向上具有分量的力施加于該物體上并且該物體運(yùn)動時發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于在運(yùn)動的整個過程中力的一次積分。在本說明書中，“絕緣流體”指不導(dǎo)電的流動物質(zhì)。優(yōu)選地，是不揮發(fā)、不導(dǎo)電、在常溫常壓下流動的液體和氣體，并且其相對于微米級電介質(zhì)體的比重最好為大概+/-50%以內(nèi)。比如，作為絕緣流體，可使用礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油。優(yōu)選地，絕緣流體提供在容器內(nèi)。該絕緣流體可為非電解質(zhì)。在傳統(tǒng)技術(shù)中，與微米級物體的情況一樣，很難在高粘度下實現(xiàn)電機(jī)。本發(fā)明成功地實現(xiàn)了電機(jī)。本發(fā)明的特征在于即使在高粘度下也能獲得電機(jī)。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明在低粘度的情況下也可以實踐。在本說明書中，“電場”具有本技術(shù)領(lǐng)域通常使用的意義，也指導(dǎo)致電體吸引或排斥其他帶電體的自然界的基本場，也稱為場。通常，電場由兩個以上電極(陰極和陽極)產(chǎn)生。在本說明書中，“恒定電場”指具有恒定值的電場。比如，可為范圍在IV到1000V 的電場，但不限于此。本發(fā)明提供的優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢在于，即使在恒定的電場也可獲得機(jī)械運(yùn)動，比如周期運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在本說明書中，通常由陽極和陰極組成的組產(chǎn)生電場。電極優(yōu)選地為具有鋒利尖端的棱錐型或圓錐形，或者棱柱或圓柱形，并且由導(dǎo)電性的材料實現(xiàn)。電極包括導(dǎo)電物質(zhì)， 比如鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、銅、鐵和鋁。比如通過具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組產(chǎn)生電場，并且該具有至少兩個電極的電極組的方向為至少兩個電極彼此處于不同的方向， 通過控制電場以及用于產(chǎn)生電場的電極的空間設(shè)置可改變運(yùn)動的路線或模式。這里，通過使用能夠?qū)θS的每個坐標(biāo)在1微米單位上進(jìn)行操作的微操作器，并通過操作必要的設(shè)備，比如手指夾具，操作每個坐標(biāo)將電極轉(zhuǎn)換到需要的位置，比如通過手或鑷子操作，以實現(xiàn)該控制。在本說明書中，“微米級”范圍通常在幾納米到大約1000微米，并且在某種情況下， 范圍在亞微米(0. 1微米)到1000微米，其中，尤其優(yōu)選1微米到100微米，在該范圍內(nèi)可有效使用本技術(shù)，但是范圍不限于此。這里，術(shù)語幾納米意思是至少1納米，應(yīng)當(dāng)理解大約亞納米到1納米的分子組合的尺寸是幾納米，并且通常大概為2到3納米或者更大，但不限于此。由大概亞納米到1納米的分子組合形成的幾納米的電介質(zhì)體可作為實現(xiàn)的下限。另一方面，不希望受縛于理論，使用至少1000微米作為上限，因為本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識到本發(fā)明的原理至少可應(yīng)用在微米的范圍內(nèi)，即高達(dá)1000微米的范圍內(nèi)。在更大的毫米范圍內(nèi)，支配這種現(xiàn)象的方程(原理)可不同，然而，不排除應(yīng)用本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解只要本發(fā)明的原理適用，即使是大于1000微米的尺寸，也可實踐本發(fā)明。在該說明書中，“表面活性劑”是分子中具有親水基和疏水基的物質(zhì)，該物質(zhì)能夠在疏水油液體中形成水滴。在這種情況下，該表面活性劑通常存在于油與水之間的界面。 表面活性劑的實例包括，但不限于，烷基硫酸鹽(比如十二烷基硫酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate, SDQ )、烷基三甲基胺鹽(比如十八烷基三甲基氯化銨(Stearyl Trimethyl Ammonium Chloride, STAC))、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基溴化銨(Stearyl Trimethyl Ammonium Bromide, STAB))、聚氧乙烯烷基醚(比如戊乙二醇十二烷基醚)、 ?；字Ｄ憠A(比如二油酰磷脂酰膽堿(Dioleoyl Phosphatidylcholine, DOPC)), 二棕櫚酰磷脂酰膽堿(Dipalmitoyl Phosphatidylcholine, DPPC)、酰基磷脂酰乙醇胺 (比如二油酰磷脂酰乙醇胺(Dioleoyl Phosphatidylethanolamine，DOPE))、二棕櫚酰磷脂酰乙醇胺(Dipalmitoyl Phosphatidyl Ethanolamine，DPPE))、?；字＝z氨酸 (比如二油酰磷脂酰絲氨酸(Dioleoyl phosphatidylserine, D0PS)、二棕櫚酰磷脂酰絲氨酸(Dipalmitoyl phosphatidylserine, DPPS))、酰基磷脂酰甘油(比如二油酰磷脂酰甘油(Dioleoyl phosphatidylglycerol，D0PG)、二棕櫚酰磷脂酰甘油(Dipalmitoyl Phosphatidyl Glycerol, DPPG))以及磷脂酸甘油酯(Egg PG)。比如，可使用其他的物質(zhì)， 比如，對于酰基，通常使用具有四個后綴PC/PE/PS/PG的?；?，然而，這種物質(zhì)包括大量具有前綴D0/DP/DS/...等等的物質(zhì)，這些物質(zhì)也可用于本發(fā)明中。在本說明書中，“微型渦輪機(jī)”是，比如可由微制造技術(shù)制造的尺寸為例如1微米到 100微米的物體，包括旋轉(zhuǎn)軸和刀片部分，該刀片可圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。比如，這包括具有加工成微米級的二氧化硅層的水輪(比如用于Y. Hiratsuka, M. Miyata, T. Tada, T. Q. Uyeda, Proc. Natl Acad. Sci. USA 103,13618-13623(2006)等等上的那些)。使用該微型渦輪機(jī)， 所述電介質(zhì)體可設(shè)置在其能夠運(yùn)動的空間，并且從隨著電介質(zhì)體運(yùn)動而運(yùn)動的微型渦輪機(jī)中可獲得功。這里，該微型渦輪機(jī)具有旋轉(zhuǎn)軸和刀片部分，該刀片優(yōu)選地可旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一個實施例中，電介質(zhì)體為兩個以上，并且通過使兩個以上電介質(zhì)體集體運(yùn)動，可起到電機(jī)的作用。(描述優(yōu)選實施例)下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于這些優(yōu)選實施例，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員在該說明書整個描述的基礎(chǔ)上可適當(dāng)?shù)匦薷谋景l(fā)明。(產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動的方法及其應(yīng)用)一方面，本發(fā)明提供傳輸電介質(zhì)體或獲得機(jī)械功的方法，包括步驟A)安裝兩個用于產(chǎn)生電場的電極，使得所述兩個電極的中心軸不在同一直線上，并且在絕緣流體內(nèi)給所述電介質(zhì)體施加電場。本發(fā)明的意義在于實現(xiàn)很重要的循環(huán)運(yùn)動而并非只是簡單使液滴運(yùn)動，并且其突出之處在于以兩個電極的中心軸不設(shè)置在同一直線上為特征可實現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動，這在傳統(tǒng)技
13術(shù)(比如非專利文件1)所描述的技術(shù)中不能輕易地看到。本發(fā)明還證明了利用本發(fā)明中的循環(huán)運(yùn)動可獲得功。因此，由于在電極中心軸在同一直線上的高對稱情形下不能獲得循環(huán)運(yùn)動，因此最好設(shè)置電極使得其中心軸不在同一直線上并優(yōu)選地設(shè)置為彼此不平行。在本說明書中，“兩個電極的中心軸不在同一直線上”的表述涉及到產(chǎn)生電場的兩個電極的設(shè)置，并且意味著這些電極的中心軸不設(shè)置在一條直線上。這里，“電極的中心軸” 使用本技術(shù)領(lǐng)域通常使用的意思，指如上所述的以鋒銳電極形狀在最大長度方向平行的中心線。優(yōu)選地，最好將中心軸設(shè)置為彼此不平行。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)僅僅通過給微米級電介質(zhì)體施加恒定的電場就可隨意地以三維的方式傳輸電介質(zhì)體，從而可獲得機(jī)械功(圖1)。在本發(fā)明中，揭示了電介質(zhì)體是任意的電介質(zhì)物體，比如水滴、聚苯乙烯珠和玻璃珠，但如果微米級物體是電介質(zhì)體，就不依賴于物質(zhì)或形狀。本發(fā)明還揭示了周圍介質(zhì)可為任何絕緣流體，而不限于油。最后，雖然通常很難從雷諾數(shù)很低的微米級機(jī)械運(yùn)動中獲得功，本發(fā)明明顯能使其成為可能。通過施加恒定的電場，本發(fā)明成功地使微米級電介質(zhì)體產(chǎn)生了機(jī)械運(yùn)動。因此，本發(fā)明提供了旋轉(zhuǎn)電機(jī)型運(yùn)動，并實現(xiàn)了在非交流電場產(chǎn)生振動性和周期性運(yùn)動。同樣，本發(fā)明中由于沒有產(chǎn)生電流，因此不存在通過電流發(fā)生的運(yùn)動，而通過電場強(qiáng)度和電極的空間設(shè)置，可隨意改變運(yùn)動路線和運(yùn)動模式。此外，重要的是，其優(yōu)勢在于可在沒有接觸點(diǎn)以及在恒定電場的情況下獲得電機(jī)型運(yùn)動，從而以非接觸方式傳輸物體以及對微型電機(jī)的應(yīng)用，這在通常是不可能的。在傳統(tǒng)技術(shù)中，如圖3所示，當(dāng)電極設(shè)置為在同一直線上時，只可獲得簡單的周期運(yùn)動(非專利文件1)。然而，如本發(fā)明所公開的，如圖3中的中間圖和右邊圖所示當(dāng)電極設(shè)置為不在同一直線上時，實現(xiàn)在作用于電介質(zhì)體的力中，利用作用在帶電體上的力(見圖 4(i))和作用在電介質(zhì)體上的力(見圖4(ii))的狀態(tài)，因而能夠獲得循環(huán)運(yùn)動。傳統(tǒng)技術(shù)不能預(yù)見這種狀態(tài)是否可以實現(xiàn)，這種狀態(tài)在教科書中也不明顯，因此可以說是新的技術(shù)。 進(jìn)一步地，本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過“電極設(shè)置為不在同一直線上”這一手段來實現(xiàn)在空間關(guān)系上與非專利文件1中的一維運(yùn)動完全不相同的二維或者多維運(yùn)動。另一方面，應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于實例中所指的實施例。即，本發(fā)明的現(xiàn)象在物理法則的范疇內(nèi)，可由最基本的通用支配原理比如運(yùn)動方程結(jié)合電磁原理來自然地解釋。S卩，基于本說明書的描述，對于其他實施例，使用本領(lǐng)域的知識，比如物理原理，可預(yù)見本發(fā)明中說明的現(xiàn)象，并且該設(shè)計可變化。即，可不進(jìn)行實驗而由計算決定必須改變什么條件以及如何改變該條件來生成需要的運(yùn)動。因此，理論解釋的成功意味著用于研發(fā)模擬器的基礎(chǔ)的建立。本發(fā)明中公開的技術(shù)提供了應(yīng)用該技術(shù)非常有用的方法。特定現(xiàn)象的理論框架的建立不證明該現(xiàn)象是普遍的。理論框架的建立是在前應(yīng)用的手段。從普通的物理理論教科書中不能預(yù)見本發(fā)明。這是因為在普通的教科書中，“作用在帶電體上的力”通常不應(yīng)用在電介質(zhì)體上。即，該力通常處理成只有作為“作用在電介質(zhì)體上的力”的力才作用在電介質(zhì)體上。此外，在眾所周知的稱為介電泳的技術(shù)中，通過，作用在電介質(zhì)體上的力用于“水或者油等液體”中施加“周期電子場(非恒定電場)”中而應(yīng)用。 因此，可以說在本發(fā)明中，在普通的物理理論教科書和其他論文上不容易預(yù)見“作用在帶電體上的力和作用在電介質(zhì)體上的力的融合”以及“在恒定電場獲得循環(huán)運(yùn)動”。本發(fā)明自身提出的理論是一個新發(fā)現(xiàn)，并且本發(fā)明的突出之處在于發(fā)現(xiàn)了循環(huán)運(yùn)動現(xiàn)象，并實現(xiàn)了傳輸和獲得功，并且成功地基于物理基本法則解釋了本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動是可能的。即，本發(fā)明值得注意的是，不僅在作為示范示出的實施例中，而且基于本發(fā)明顯示的理論而設(shè)計的任意實施例均可以實踐本發(fā)明。換言之，要注意的是，不容易從現(xiàn)有的教科書所描述的內(nèi)容中推導(dǎo)出本發(fā)明的理論，并且本發(fā)明的過程也沒有簡單到利用現(xiàn)有的教科書所描述的內(nèi)容進(jìn)行實驗就能得到期望的結(jié)果。用于本發(fā)明的絕緣流體可為任何不導(dǎo)電的流動物質(zhì)，優(yōu)選不揮發(fā)、不導(dǎo)電、常溫常壓下流動的液體和氣體，并且其相對于微米級電介質(zhì)體的比重最好為+/-50%以內(nèi)。比如， 作為絕緣流體，可使用礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油。優(yōu)選地，絕緣流體提供在容器內(nèi)。 只要適用于絕緣流體，任何容器均可使用。在傳統(tǒng)技術(shù)中，與微米級物體的情況一樣，很難在高粘度下實現(xiàn)電機(jī)。本發(fā)明成功地實現(xiàn)了電機(jī)。本發(fā)明技術(shù)的特征還在于即使在高粘度下也能獲得電機(jī)。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解， 本發(fā)明在低粘度的情況下也可以實踐。如圖4中顯示的物理模式和模擬結(jié)果描述所指示的那樣，可理解的是，粘度的強(qiáng)度是不相關(guān)的。在本發(fā)明中，提供的優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢在于即使在恒定的電場也可獲得機(jī)械運(yùn)動，比如周期運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在一個實施例中，用于本發(fā)明的電介質(zhì)體優(yōu)選地為微米級。作為電介質(zhì)體的尺寸， 長度、寬度和高度中的任意一種通常均可測量，并且可使用最適合該模擬的那部分的尺寸。 通常，微米級指微米領(lǐng)域和小于微米的范圍，通常范圍在幾納米到大概1000微米，在某種情況下，范圍在亞微米(0. 1微米)到1000微米，其中，在1微米到100微米范圍內(nèi)，使用本技術(shù)尤其有效，但是范圍不限于此。在一個實施例中，范圍在1微米到100微米，在另一個實施例中，范圍在5微米到50微米，10微米到100微米，1微米到10微米等等，但不限于此。其中，可以為1微米到100微米，在該范圍內(nèi)可特別有效地使用本技術(shù)，但是范圍不限于此。這里，術(shù)語幾納米意思是至少1納米，應(yīng)當(dāng)理解可應(yīng)用大約亞納米到1納米的分子組合的尺寸，并且通常大概為2到3納米或者更大，但不限于此。由大概亞納米到1納米的分子組合形成的幾納米的電介質(zhì)體可作為實現(xiàn)的下限。另一方面，不希望受縛于理論，使用至少 1000微米作為上限，因為本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識到本發(fā)明的原理至少可應(yīng)用在微米的范圍內(nèi)，即高達(dá)1000微米的范圍內(nèi)。在更大的毫米范圍內(nèi)，支配這種現(xiàn)象的方程(原理)可不同，然而，不排除應(yīng)用本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解只要本發(fā)明的原理適用，即使是大于1000微米的尺寸，也可實踐本發(fā)明。在另一個實施例中，用于本發(fā)明的電介質(zhì)體指在施加靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不生成電流的物質(zhì)，以及可具有靜電極化率的物質(zhì)，任何這樣的物質(zhì)均可使用。用于本發(fā)明的電介質(zhì)體包括，比如水滴、聚合體物質(zhì)(比如聚苯乙烯珠、聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS)、聚丙烯酰胺凝膠、其他塑料等等)以及玻璃珠。使用作為一個實施例的水滴時，優(yōu)選地，該水滴使用表面活性劑生成。作為表面活性劑，可使用任何在分子中具有親水基和疏水基并且能夠在疏水油液體中形成水滴的可用于此目的的物質(zhì)。在這種情況下，該表面活性劑通常存在于油與水之間的界面處。作為可用于本發(fā)明的表面活性劑，包括烷基硫酸鹽(比如十二烷基硫酸鈉(SDQ)、烷基三甲基胺鹽(比如十八烷基三甲基氯化銨(STAC)、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基溴化銨(STAB))、聚氧乙烯烷基醚(比如戊乙二醇十二烷基醚)、?；字Ｄ憠A(比如二油酰磷脂酰膽堿(DOPC)、二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC))、?；字Ｒ掖及?比如二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二棕櫚酰磷脂酰乙醇胺(DPPE))、?；字＝z氨酸(比如二油酰磷脂酰絲氨酸(D0PQ、二棕櫚酰磷脂酰絲氨酸(DPPQ)、酰基磷脂酰甘油(比如二油酰磷脂酰甘油 (DOPG)、二棕櫚酰磷脂酰甘油(DPPG))以及磷脂酸甘油酯(Egg PG)。在優(yōu)選的實施例中，用于本發(fā)明的絕緣流體為非揮發(fā)性、非導(dǎo)電性以及流動的物質(zhì)。該絕緣流體優(yōu)選為不揮發(fā)的原因在于適用于電介質(zhì)體的長期傳輸和運(yùn)動，并且不會由于液體蒸發(fā)的對流而阻礙電介質(zhì)體的傳輸和運(yùn)動。優(yōu)選地，這種非揮發(fā)性的程度最好為常溫常壓下每天低于0. 甚至更少的揮發(fā)量。本發(fā)明的絕緣流體優(yōu)選為不導(dǎo)電的原因在于可確保作用在電介質(zhì)體上的電場的強(qiáng)度，并且提高了電介質(zhì)體的電荷帶電效率。進(jìn)一步地，本發(fā)明的絕緣流體相對于本發(fā)明中使用的電介質(zhì)體的比重優(yōu)選為 +/-50 %以內(nèi)。原因在于，如果電介質(zhì)體傳輸和運(yùn)動過程中的比重差距過大，就不可能順利地傳輸和運(yùn)動?？捎糜诒景l(fā)明的絕緣流體包括礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油等等。優(yōu)選地，用于本發(fā)明的電場為恒定的電場。本發(fā)明的突出之處在于即使是恒定的電場也能同樣地利用，實現(xiàn)能夠傳輸和獲取功的動態(tài)運(yùn)動，比如周期運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在優(yōu)選的實施例中，用于本發(fā)明的電場的范圍在IV到1000V，優(yōu)選地為5V到50V， 50V到500V或者IOV到100V，然而，可理解的是，適宜的使用范圍取決于正在使用的電介質(zhì)體和電極設(shè)置。在一個實施例中，產(chǎn)生本發(fā)明中使用的電場的陽極和陰極最好設(shè)置為它們的中心軸不在同一直線上。參照圖IA描述這一點(diǎn)。即，比如，作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電極中心軸之間的偏移(D)等于或大于電極直徑(R)并為電極頂端之間的寬度(L)的5倍范圍之內(nèi)時，可更有效地獲得循環(huán)運(yùn)動。即，在圖IA中滿足要求R< D <5L，可實現(xiàn)有效獲取。進(jìn)一步地， 如圖IB所示，當(dāng)中心軸彼此不平行時，相當(dāng)容易獲得循環(huán)運(yùn)動，并且下限的要求可放松到0 < D < 5L。在任何情況下，不限于這些要求，可根據(jù)電極的形狀、施加的電壓等等擴(kuò)展該范圍。在另一個實施例中，用于本發(fā)明的電極為具有鋒利尖端的棱錐型或圓錐形，或者棱柱或圓柱形，并且由導(dǎo)電性的材料形成。在為棱錐型或圓錐形的情況下，尖端的角度最好為45度或者更小，在為棱柱或圓柱形的情況下，尖端的直徑最好為100微米或更小。在一個實施例中，用于本發(fā)明的電極由導(dǎo)電物質(zhì)形成，比如鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、 銅、鐵、鋁或者不銹鋼。在一個優(yōu)選的實施例中，通過具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組產(chǎn)生本發(fā)明的電場，并且該具有至少兩個電極的電極組定向成該至少兩個電極彼此處于不同的方向 (比如，通過設(shè)置在兩個不同方向的電極組來控制運(yùn)動)，通過控制電場以及用于產(chǎn)生電場的電極的空間設(shè)置，可改變運(yùn)動的路線或模式。為了改變路線或模式，可應(yīng)用下面的理論。數(shù)學(xué)公式2
0153]
0154]
0155]
0156]
0157]
0158]
0159]
0160] 0161]
0162]
0163]
0164]
0165]
0166]
0167]
0168]
0169]
0171]
0172]
0173]
0174]
0175]
0176]
0177]
0178]
0179]
0180] 0181] 0182]
此公式中，數(shù)學(xué)公式3
ι
表示電介質(zhì)體的位置矢量，為數(shù)學(xué)公式4
χ 二 ( χ . τ.. . X I
表示，(X1, X2和X3是各個坐標(biāo)的值)。 q表示在電介質(zhì)體上所帶的電荷量，數(shù)學(xué)公式5
/;
表示電場矢量，
α表示電極化率，指電場中電介質(zhì)體的極化度。數(shù)學(xué)公式6
\’
表示按位置進(jìn)行偏微分的運(yùn)算符，該運(yùn)算符由數(shù)學(xué)公式7
0170] 表示。該公式中，數(shù)學(xué)公式8:
表示對數(shù)學(xué)公式9
Xi
進(jìn)行偏微分。
E表示電場值，并且與電場矢量
數(shù)學(xué)公式10]
？
的絕對值同義。 t表示時間。
k表示電介質(zhì)體受到液體的粘滯阻力,
這里，作用在帶電體上的力和帶電電介質(zhì)體吸引或排斥電極的力由右邊的第一項 ⑴數(shù)學(xué)公式11c//T表示。由此，作用在電介質(zhì)體上的力從電力線密度低的一邊指向電力線密度高的一邊， 因此，電介質(zhì)體朝著電力線密度高的方向被吸引過去，這由右邊第二項(ii)數(shù)學(xué)公式I2表示。當(dāng)電極和電介質(zhì)體彼此接觸時，電介質(zhì)體充電荷。電介質(zhì)體一離開電極，電介質(zhì)體就帶電，使得電介質(zhì)體受到作用在帶電體上的力，并且上面的數(shù)學(xué)公式11的項成為主導(dǎo)。然而，電介質(zhì)體離開電極后，電荷逐漸泄漏而所帶的電荷量減少時，電介質(zhì)體受到作用在帶電體上的力的可能性變小，這樣由上面的數(shù)學(xué)公式12的項表示的力的影響成為主導(dǎo)。由于力⑴和(ii)的方向彼此不同，運(yùn)動的方向可由其平衡決定。即，通過根據(jù)平衡可生成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。下面顯示通過確定參數(shù)而計算出的具體結(jié)果。如下所示，可理解的是，通過使用上面的運(yùn)動方程可模擬本發(fā)明。
運(yùn)動方程和關(guān)于電荷充電和放電的方程分別由下面表示數(shù)學(xué)公式13
為了易于處理，根據(jù)下面的定義進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)學(xué)公式14
τ = t/T
ζ = q/Q
18
權(quán)利要求
1.一種傳輸電介質(zhì)體或獲得機(jī)械功的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟A)設(shè)置用于產(chǎn)生電場的兩個電極，使得該兩個電極的中心軸不在同一直線上，并且在絕緣流體內(nèi)向該電介質(zhì)體施加電場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)體為微米級，并且該微米級的范圍為幾納米到1000微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述微米級的范圍為1微米到100微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)體為施加靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不產(chǎn)生電流的物質(zhì)，并且是具有靜電極化率的物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)體選自水滴、聚合體物質(zhì)以及玻璃珠構(gòu)成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述水滴使用表面活性劑生成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面活性劑使用二油酰磷脂酰膽堿 (DOPC)、二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰絲氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯、十八烷基三甲基氯化銨(STAC)、十八烷基三甲基溴化銨(STAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基三甲氯化銨以及戊乙二醇十二烷基醚生成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣流體是非揮發(fā)性、不具有導(dǎo)電性以及在常溫常壓下流動的物質(zhì)，并且其相對于所述微米級電介質(zhì)體的比重為+/-50 %以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣流體選自礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油構(gòu)成的組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電場為恒定電場。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電場的范圍為IV到1000V。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將用于產(chǎn)生所述電場的陽極和陰極設(shè)置為它們的中心軸彼此不平行。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述電極為具有鋒利尖端的棱錐型或圓錐形，或者為棱柱或圓柱形，并且該電極的材料具有導(dǎo)電性。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述電極為選自鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、 銅、鐵和鋁構(gòu)成的組的導(dǎo)電物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電場通過具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組產(chǎn)生，并且該具有至少兩個電極的電極組的方向為至少兩個電極彼此處于不同的方向，該方法進(jìn)一步包括通過控制該電場以及用于產(chǎn)生該電場的電極的空間設(shè)置來改變運(yùn)動的路線或模式的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制的實現(xiàn)是通過使用能夠?qū)θS的每個坐標(biāo)在1微米單位上進(jìn)行操作的微操作器來操作每個該坐標(biāo)，或者通過手或鑷子操作，將所述電極轉(zhuǎn)換到需要的位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括通過空間控制所述電極以及控制施加電壓的強(qiáng)度來間接控制所述電介質(zhì)體以傳輸該電介質(zhì)體的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述電介質(zhì)體可運(yùn)動的空間內(nèi)設(shè)置微型渦輪機(jī)，該微型渦輪機(jī)隨電介質(zhì)體運(yùn)動而運(yùn)動從而獲得功，該微型渦輪機(jī)具有旋轉(zhuǎn)軸和刀片部分，該刀片繞該旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)體為兩個以上，使兩個以上的該電介質(zhì)體集體運(yùn)動而起到電機(jī)的作用。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法用于聚合物的機(jī)械控制、藥物或化學(xué)藥品的液滴傳輸、化學(xué)反應(yīng)、藥物或化學(xué)藥品的制備、生物樣品的非接觸傳輸、或者微通道。
21.一種傳輸電介質(zhì)體的裝置，其特征在于，該裝置包括以下設(shè)備A)用于接收該電介質(zhì)體的絕緣流體；以及B)存在于該絕緣流體中、用于施加電場的包括兩個電極的設(shè)備，該兩個電極設(shè)置為它們的中心軸不在同一直線上。
22.一種用于獲得機(jī)械功的裝置，其特征在于，包括A)絕緣流體；B)設(shè)置在該絕緣流體內(nèi)的電介質(zhì)體；C)存在于該絕緣流體中、用于施加電場的包括兩個電極的設(shè)備，該兩個電極設(shè)置為它們的中心軸不在同一直線上；以及D)用于從該電介質(zhì)體中獲得機(jī)械功的設(shè)備。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述電介質(zhì)體為微米級，并且該微米級的范圍為幾納米到1000微米。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述微米級的范圍為1微米到100微米。
25.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述電介質(zhì)體為施加靜電場時發(fā)生電介質(zhì)極化但不產(chǎn)生電流的物質(zhì)，并且是具有靜電極化率的物質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述電介質(zhì)體選自水滴、聚合體物質(zhì)以及玻璃珠構(gòu)成的組。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的裝置，其特征在于，所述水滴使用表面活性劑生成。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的裝置，其特征在于，所述表面活性劑使用二油酰磷脂酰膽堿(DOPC)、二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)、二油酰磷脂酰絲氨酸(D0PQ、磷脂酸甘油酯、十八烷基三甲基氯化銨(STAC)、十八烷基三甲基溴化銨(STAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基三甲氯化銨以及戊乙二醇十二烷基醚生成。
29.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述絕緣流體是非揮發(fā)性、不具有導(dǎo)電性以及在常溫常壓下流動的物質(zhì)，并且其相對于所述微米級電介質(zhì)體的比重為 +/-50% 以內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述絕緣流體選自礦物油、液體石蠟、鏈烷和硅酮油構(gòu)成的組。
31.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述電場為恒定電場。
32.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，所述電場的范圍為IV到1000V。
33.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，用于產(chǎn)生所述電場的陽極和陰極設(shè)置為它們的中心軸彼此不平行。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，所述電極為具有鋒利尖端的棱錐型或圓錐形，或者為棱柱或圓柱形，并且該電極的材料具有導(dǎo)電性。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述電極為選自鎢、碳化鎢、金、鉬、銀、 銅、鐵和鋁構(gòu)成的組的導(dǎo)電物質(zhì)。
36.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，用于施加所述電場的所述設(shè)備為具有陽極和陰極至少兩個電極的電極組，并且該具有至少兩個電極的電極組的方向為至少兩個電極彼此處于不同的方向。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括能夠?qū)θS的每個坐標(biāo)在1微米單位上進(jìn)行操作的微操作器，該微操作器操作每個該坐標(biāo)以將所述電極轉(zhuǎn)換到需要的位置，或者進(jìn)一步包括鑷子。
38.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括通過空間控制所述電極以及控制施加電壓的強(qiáng)度來間接控制所述電介質(zhì)體以傳輸該電介質(zhì)體的設(shè)備。
39.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括微型渦輪機(jī)。
40.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該所述電介質(zhì)體為兩個以上，并且使兩個以上的該電介質(zhì)體集體運(yùn)動而起到電機(jī)的作用。
41.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的裝置，其特征在于，該裝置用于聚合物的機(jī)械控制、藥物或化學(xué)藥品的液滴傳輸、化學(xué)反應(yīng)、藥物或化學(xué)藥品的制備、生物樣品的非接觸傳輸、或者微通道。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供能夠一種不產(chǎn)生電流而使納米級物體運(yùn)動并隨意傳輸該物體，以及獲得機(jī)械功的技術(shù)。經(jīng)過努力，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過在絕緣流體比如油內(nèi)安裝用于為微米級等的電介質(zhì)體產(chǎn)生電場的兩個電極，使該兩個電極的中心軸不在同一直線上而施加電場，比如恒定電場，可隨意三維傳輸該電介質(zhì)體，并且可由此獲得機(jī)械功，從而達(dá)到上述目的。
文檔編號B01J19/00GK102395424SQ20108001654
公開日2012年3月28日 申請日期2010年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者厚見悠, 吉川研一, 瀧之上正浩 申請人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)