Elektroosmose

Elektroosmose (auch Elektroendosmose, selten auch Elektroendoosmose) ist die Bewegung einer Flüssigkeit parallel zu einer Oberfläche durch ein elektrisches Feld. Der Effekt tritt unter anderem bei der Elektrophorese auf und wird dann Elektroosmotischer Fluss genannt.

Grundlagen

Der Grund für den Effekt der Elektroosmose liegt darin, dass eine Flüssigkeit zwar im Volumen (also im Inneren) elektrisch neutral ist, sich aber an einer Oberfläche eine elektrochemische Doppelschicht ausbildet; diese ist etwa einen Nanometer dick (hängt von den in der Flüssigkeit gelösten Ionen ab). Die Flüssigkeit ist also an der Oberfläche nicht elektrisch neutral. Wenn man nun ein elektrisches Feld parallel zur Oberfläche anlegt, wirkt daher eine Kraft auf die Flüssigkeit und es kommt zur Strömung. Dies ist nur bei isolierenden Oberflächen möglich; Metalle und andere elektrische Leiter würden ein Feld parallel zur Oberfläche kurzschließen.

Auswirkungen und Anwendungen

Da die Kraft nur auf eine sehr dünne Flüssigkeitsschicht wirkt, ist Elektroosmose nur in dünnen Kapillaren (einige Nanometer bis maximal einige Mikrometer) zu beobachten. Bei dickeren Flüssigkeitsschichten oder -säulen überwiegen die Effekte des Volumens (Ionenleitung, Elektrolyse, Elektrophorese) bei weitem. Elektroosmose kann daher in Mikrokanälen, die für die Kapillarelektrophorese kleinster Flüssigkeitsmengen verwendet werden, stark in Erscheinung treten (Elektroosmotischer Fluss).

Mit Hilfe der Elektroosmose kann auch eine "Nanopumpe" realisiert werden, mit der kleine Flüssigkeitsmengen wohldosiert abgegeben werden können. Typische Spannungen für solche Anwendungen sind einige hundert bis über tausend Volt pro Zentimeter. Damit ist ein Druck von über 10 bar erreichbar, die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von Mikrometern bis wenigen Millimetern je Minute. Die geringen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten hängen damit zusammen, dass der Strömungswiderstand in dermaßen dünnen Kapillaren aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit (meist Wasser mit gelösten Stoffen) sehr hoch ist, und dass die Kraft ja nur in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche wirkt, wo die Strömung besonders stark durch Viskosität behindert wird. Der Wirkungsgrad solcher Pumpen bleibt daher auch im theoretisch optimalen Fall deutlich unter 10 %.

Ob die Elektroosmose zur Trocknung von Mauerwerk geeignet ist, wird im Artikel Elektrophysikalische Mauertrockenlegung behandelt.

Weblinks

• Skript über Elektrophorese Uni Ulm Kapitel 2.2 Elektroosmose (PDF-Datei; 922 kB)
• Elektroosmose bei Chromatografie (PDF-Datei; 974 kB)
• Elektroosmose zur Entwässerung mineralischer Schlämme
• Historische Elektroosmoseanlage zur Tonbehandlung (Artikelzusammenfassung, Vollartikel kostenpflichtig)
• Historie der elektrokinetischen Erscheinungen
• Beschreibung der elektroosmotischen "Pumpe" (PDF-Datei)
• Beispiel für Elektroosmose im "Lab on a chip" S.3 (PDF-Datei)