การเปียกด้วยไฟฟ้าคือการปรับเปลี่ยน คุณสมบัติ การเปียกของพื้นผิว (ซึ่งโดยทั่วไปจะมีคุณสมบัติไม่ ชอบน้ำ ) โดยใช้สนามไฟฟ้า

การเปียกด้วยไฟฟ้าของปรอทและของเหลว อื่นๆ บนพื้นผิวที่มีประจุแปรผันได้นั้น น่าจะได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยGabriel Lippmannในปี 1875 ^{[ 1 ]}และแน่นอนว่าได้รับการสังเกตมาก่อนหน้านั้นมากAN Frumkinใช้ประจุบนพื้นผิวเพื่อเปลี่ยนรูปร่างของหยดน้ำ ในปี 1936 ^{[ 2 ]}คำว่า electrowetting ได้รับการแนะนำครั้งแรกในปี 1981 โดย G. Beni และ S. Hackwood เพื่ออธิบายผลกระทบที่เสนอสำหรับการออกแบบอุปกรณ์แสดงผลชนิดใหม่ ซึ่งพวกเขาได้รับสิทธิบัตร^{[ 3 ]}การใช้ "ทรานซิสเตอร์ของเหลว" ในวงจรไมโครฟลูอิดิกสำหรับการจัดการของเหลวทางเคมีและชีวภาพได้รับการตรวจสอบครั้งแรกโดย J. Brown ในปี 1980 และต่อมาได้รับทุนสนับสนุนในปี 1984–1988 ภายใต้ทุน NSF Grants 8760730 & 8822197 ^{[ 4 ]}โดยใช้ฉนวนไดอิเล็กทริกและชั้นไฮโดรโฟบิก (EWOD) ของเหลวที่ไม่ผสมกัน พลังงาน DC หรือ RF และอาร์เรย์ขนาดใหญ่ของอิเล็กโทรดขนาดเล็กที่เรียงสลับกัน (แบบฟันเลื่อย) พร้อม อิเล็กโทรด อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ขนาดใหญ่หรือที่เข้ากันได้ เพื่อเคลื่อนย้ายหยดนาโนแบบดิจิทัลในเส้นทางเชิงเส้น วงกลม และทิศทาง ปั๊มหรือผสมของเหลว เติมอ่างเก็บน้ำ และควบคุมการไหลของของเหลวทางอิเล็กทรอนิกส์หรือทางแสง ต่อมา ด้วยความร่วมมือกับ J. Silver ที่ NIH ได้มีการเปิดเผยอิเล็กโทรเวตติ้งแบบ EWOD สำหรับของเหลวเดี่ยวและของเหลวที่ไม่สามารถผสมกันได้ เพื่อเคลื่อนย้าย แยก ยึด และปิดผนึกอาร์เรย์ของตัวอย่างย่อย PCR ดิจิทัล^{[ 5 ]}

การเปียกด้วยไฟฟ้าโดยใช้ชั้นฉนวนบนอิเล็กโทรดเปล่าได้รับการศึกษาในภายหลังโดย Bruno Berge ในปี 1993 ^{[ 6 ]}การเปียกด้วยไฟฟ้าบนพื้นผิวที่เคลือบด้วยไดอิเล็กทริกนี้เรียกว่า การเปียกด้วยไฟฟ้าบนไดอิเล็กทริก (EWOD) ^{[ 7 ]}เพื่อแยกความแตกต่างจากการเปียกด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิมบนอิเล็กโทรดเปล่า การเปียกด้วยไฟฟ้าสามารถแสดงให้เห็นได้โดยการแทนที่อิเล็กโทรดโลหะในระบบ EWOD ด้วยสารกึ่งตัวนำ^{[ 8 ] [ 9 ]}ยังสังเกตเห็นการเปียกด้วยไฟฟ้าเมื่อ มีการใช้ ไบแอสย้อนกลับกับหยดตัวนำ (เช่น ปรอท) ซึ่งวางลงบนพื้นผิวสารกึ่งตัวนำ (เช่น ซิลิคอน) โดยตรงเพื่อสร้างหน้าสัมผัส Schottkyใน การกำหนดค่าวงจรไฟฟ้า ไดโอด Schottky – ผลกระทบนี้เรียกว่า 'การเปียกด้วยไฟฟ้าแบบ Schottky' ^{[ 10 ]}

การควบคุมของเหลวด้วยไมโครฟลูอิดิกโดยใช้อิเล็กโทรเวตติ้งได้รับการสาธิตครั้งแรกด้วยหยดปรอทในน้ำ^{[ 11 ]}และต่อมาด้วยน้ำในอากาศ^{[ 7 ]}และน้ำในน้ำมัน^{[ 12 ]}การควบคุมหยดบนเส้นทางสองมิติได้รับการสาธิตในภายหลัง^{[ 13 ] [ 14 ]} หากของเหลวถูกแบ่งเป็นส่วนย่อยและควบคุมด้วยโปรแกรม วิธีการนี้เรียกว่า "วงจรไมโครฟลูอิดิกดิจิทัล" ^{[ 15 ] [ 16 ]}หรือ " ไมโครฟลูอิดิกดิจิทัล " ^{[ 17 ]}การแบ่งส่วนย่อยโดยใช้อิเล็กโทรเวตติ้งบนไดอิเล็กทริก (EWOD) ได้รับการสาธิตครั้งแรกโดย Cho, Moon และ Kim ^{[ 18 ]}เมื่อเร็วๆ นี้ มีการสาธิตอิเล็กโทรเวตติ้งย้อนกลับของหยด ซึ่งแตกต่างจากอิเล็กโทรเวตติ้งแบบดั้งเดิมที่หยดเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กโทรดที่ถูกกระตุ้น ในอิเล็กโทรเวตติ้งย้อนกลับ หยดจะเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กโทรดที่ต่อลงดิน^{[ 19 ]}

ปรากฏการณ์อิเล็กโทรเวตติ้งได้รับการนิยามว่า "การเปลี่ยนแปลงของมุมสัมผัส ระหว่างของแข็งกับ อิเล็กโทรไลต์ อันเนื่องมาจากความแตกต่างของศักย์ ไฟฟ้าที่ใช้ ระหว่างของแข็งกับอิเล็กโทรไลต์" ปรากฏการณ์อิเล็กโทรเวตติ้งสามารถเข้าใจได้ในแง่ของแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าที่ใช้^{[ 20 ] [ 21 ]}สนามขอบที่มุมของหยดอิเล็กโทรไลต์มีแนวโน้มที่จะดึงหยดลงบนอิเล็กโทรด ทำให้มุมสัมผัสระดับมหภาคลดลงและพื้นที่สัมผัสของหยดเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน อิเล็กโทรเวตติ้งสามารถมองได้จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากแรงตึงผิวของส่วนต่อประสานถูกกำหนดให้เป็นพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ที่จำเป็นในการสร้างพื้นที่ผิวที่แน่นอน จึงประกอบด้วยส่วนประกอบทางเคมีและทางไฟฟ้า และประจุกลายเป็นคำสำคัญในสมการนั้น ส่วนประกอบทางเคมีคือแรงตึงผิวตามธรรมชาติของส่วนต่อประสานของแข็ง/อิเล็กโทรไลต์โดยไม่มีสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบทางไฟฟ้าคือพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุที่เกิดขึ้นระหว่างตัวนำกับอิเล็กโทรไลต์

การอธิบายพฤติกรรมการเปียกด้วยไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดนั้นทำได้โดยการพิจารณาแบบจำลองทางเทอร์โมไดนามิก แม้ว่าจะสามารถสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขโดยละเอียดของการเปียกด้วยไฟฟ้าได้โดยการพิจารณารูปทรงที่แม่นยำของสนามไฟฟ้าขอบและผลกระทบต่อความโค้งของหยดน้ำในบริเวณนั้น แต่การแก้ปัญหาดังกล่าวมีความซับซ้อนทางคณิตศาสตร์และการคำนวณ การอธิบายทางเทอร์โมไดนามิกดำเนินการดังนี้ โดยกำหนดแรงตึงผิวที่เกี่ยวข้องดังนี้:

${\displaystyle \gamma _{ws}\,}$– แรงตึงผิวรวมทั้งหมด ทั้งทางไฟฟ้าและทางเคมี ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และตัวนำ

${\displaystyle \gamma _{ws}^{0}\,}$– แรงตึงผิวระหว่างอิเล็กโทรไลต์และตัวนำที่สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์

${\displaystyle \gamma _{s}\,}$– แรงตึงผิวระหว่างตัวนำกับสิ่งแวดล้อมภายนอก

${\displaystyle \gamma _{w}\,}$– แรงตึงผิวระหว่างอิเล็กโทรไลต์กับสิ่งแวดล้อมภายนอก

${\displaystyle \theta }$– มุมสัมผัสระดับมหภาคระหว่างอิเล็กโทรไลต์และไดอิเล็กทริก

${\displaystyle C}$– ค่าความจุต่อพื้นที่ของส่วนต่อประสาน є _r є ₀ /t สำหรับไดอิเล็กทริกสม่ำเสมอที่มีความหนา t และค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า є _r

${\displaystyle V}$– แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จริง ซึ่งเป็นผลรวมของสนามไฟฟ้าจากอิเล็กโทรไลต์ไปยังตัวนำ

เมื่อนำค่าความตึงผิวทั้งหมดมาเชื่อมโยงกับองค์ประกอบทางเคมีและทางไฟฟ้า จะได้ว่า:

${\displaystyle \gamma _{ws}=\gamma _{ws}^{0}-{\frac {CV^{2}}{2}}\,}$

มุมสัมผัสคำนวณได้จากสมการ Young-Dupre โดยมีข้อแทรกซ้อนเพียงอย่างเดียวคือมีการใช้พลังงานพื้นผิวรวม: ${\displaystyle \gamma _{ws}}$

${\displaystyle \gamma _{ws}=\gamma _{s}-\gamma _{w}\cos(\theta )\,}$

เมื่อรวมสมการทั้งสองเข้าด้วยกัน จะได้ความสัมพันธ์ของ θ กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้จริงดังนี้:

${\displaystyle \cos \theta =\left({\frac {\gamma _{s}-\gamma _{ws}^{0}+{\frac {CV^{2}}{2}}}{\gamma _{w}}}\right)\,}$

ความซับซ้อนเพิ่มเติมคือของเหลวยังแสดงปรากฏการณ์การอิ่มตัวด้วย กล่าวคือ หลังจากแรงดันไฟฟ้าค่าหนึ่ง ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัว การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าต่อไปจะไม่ทำให้มุมสัมผัสเปลี่ยนแปลง และที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก พื้นผิวสัมผัสจะแสดงความไม่เสถียรเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ประจุบนพื้นผิวเป็นเพียงองค์ประกอบหนึ่งของพลังงานบนพื้นผิว และองค์ประกอบอื่นๆ ก็ย่อมได้รับผลกระทบจากประจุเหนี่ยวนำอย่างแน่นอน ดังนั้น คำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับปรากฏการณ์อิเล็กโทรเวตติงจึงยังไม่สามารถวัดปริมาณได้ แต่ก็ไม่น่าแปลกใจที่ข้อจำกัดเหล่านี้มีอยู่

เมื่อเร็วๆ นี้ Klarman et al. ^{[ 22 ]} ได้แสดงให้เห็น ว่าการอิ่มตัวของมุมสัมผัสสามารถอธิบายได้ว่าเป็นผลกระทบสากล โดยไม่คำนึงถึงวัสดุที่ใช้ หากสังเกตการเปียกด้วยไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์โดยรวมที่ได้รับผลกระทบจากรูปทรงเรขาคณิตโดยละเอียดของระบบ ภายในกรอบนี้ คาดการณ์ว่าการเปียกด้วยไฟฟ้าแบบย้อนกลับก็เป็นไปได้เช่นกัน (มุมสัมผัสเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้า)

^{นอกจากนี้ Chevaloitt [ 23 ]}ยังได้แสดงให้เห็นจากการทดลองว่าการอิ่มตัวของมุมสัมผัสไม่เปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์ของวัสดุทั้งหมด ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้วัสดุที่ดี ทฤษฎีการอิ่มตัวส่วนใหญ่จึงไม่ถูกต้อง เอกสารฉบับเดียวกันนี้ยังแนะนำเพิ่มเติมว่าความไม่เสถียรของอิเล็กโทรไฮโดรไดนามิกอาจเป็นแหล่งที่มาของการอิ่มตัว ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ แต่ได้รับการแนะนำโดยกลุ่มอื่นๆ อีกหลายกลุ่มเช่นกัน

การเปียกด้วยไฟฟ้าแบบย้อนกลับ^{[ 24 ]}สามารถใช้เพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานผ่านแผนงานวิศวกรรมเชิงกลเป็นไฟฟ้าได้

การกำหนดค่าอิเล็กโทรเวตติ้งอีกแบบหนึ่งคืออิเล็กโทรเวตติ้งบนฟิล์มที่แทรกด้วยของเหลวฟิล์มที่แทรกด้วยของเหลวเกิดขึ้นได้จากการล็อกสารหล่อลื่นเหลวไว้ในเมมเบรนที่มีรูพรุนโดยการควบคุมคุณสมบัติการเปียกของเฟสของเหลวและของแข็งอย่างละเอียดอ่อน การใช้ประโยชน์จากการยึดติดของเส้นสัมผัสที่น้อยมากที่ส่วนต่อประสานของเหลว-ของเหลว ทำให้การตอบสนองของหยดน้ำใน EWOLF สามารถควบคุมด้วยไฟฟ้าได้ด้วยระดับการสลับและการย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ EWOD แบบดั้งเดิม ยิ่งไปกว่านั้น การแทรกซึมของเฟสสารหล่อลื่นเหลวในเมมเบรนที่มีรูพรุนยังช่วยเพิ่มการกระจายพลังงานความหนืดอย่างมีประสิทธิภาพ ยับยั้งการสั่นของหยดน้ำและนำไปสู่การตอบสนองที่รวดเร็วโดยไม่ลดทอนความสามารถในการย้อนกลับของอิเล็กโทรเวตติ้งที่ต้องการ ในขณะเดียวกัน ผลกระทบของการหน่วงที่เกี่ยวข้องกับ EWOLF สามารถปรับแต่งได้โดยการจัดการความหนืดและความหนาของสารหล่อลื่นเหลว^{[ 25 ]}

Optoelectrowetting [ ^{26 ] [ 27 ]}และphotoelectrowetting ^{[ 28 ]}ต่างก็เป็นปรากฏการณ์ electrowetting ที่เหนี่ยวนำด้วยแสง Optoelectrowetting เกี่ยวข้องกับการใช้^{ตัวนำ}แสงในขณะที่ photoelectrowetting ใช้ตัวเก็บประจุแสงและสามารถสังเกตได้หากตัวนำในชั้นของเหลว/ฉนวน/ตัวนำที่ใช้สำหรับ electrowetting ถูกแทนที่ด้วยสารกึ่งตัวนำ การปรับเปลี่ยนจำนวนตัวนำใน บริเวณ ประจุของสารกึ่งตัวนำด้วยแสง จะทำให้มุมสัมผัสของหยดของเหลวเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่อง ผลกระทบนี้สามารถอธิบายได้ด้วยการดัดแปลงสมการ Young-Lippmann

ด้วยเหตุผลที่ยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ มีเพียงพื้นผิวจำนวนจำกัดเท่านั้นที่แสดงพฤติกรรมการเปียกด้วยไฟฟ้าตามที่คาดการณ์ไว้ทางทฤษฎี ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้วัสดุทางเลือกที่สามารถใช้เคลือบและปรับแต่งพื้นผิวเพื่อสร้างพฤติกรรมการเปียกที่คาดหวัง ตัวอย่างเช่น ฟลูออโรพอลิเมอร์อสัณฐานเป็นวัสดุเคลือบการเปียกด้วยไฟฟ้าที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย และพบว่าพฤติกรรมของฟลูออโรพอลิเมอร์เหล่านี้สามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการสร้างลวดลายบนพื้นผิวที่เหมาะสม ฟลูออโรพอลิเมอร์เหล่านี้เคลือบอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าที่จำเป็น ซึ่งโดยทั่วไปทำจากฟอยล์อลูมิเนียมหรืออินเดียมทินออกไซด์ (ITO) เพื่อสร้างคุณสมบัติการเปียกด้วยไฟฟ้าที่ต้องการ^{[ 29 ]}มีพอลิเมอร์ดังกล่าวสามประเภทที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ได้แก่ พอลิเมอร์ซีรีส์ V แบบไม่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมากพิเศษ FluoroPel จำหน่ายโดย Cytonix, CYTOP จำหน่ายโดยAsahi Glass Co.และ Teflon AF จำหน่ายโดยDuPontนอกจากนี้ยังมีการใช้วัสดุพื้นผิวอื่นๆ เช่น SiO2 และทองคำบนกระจกด้วย^{[ 30 ] [ 31 ]}วัสดุเหล่านี้ทำให้พื้นผิวทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้ากราวด์สำหรับกระแสไฟฟ้า^{[ 31 ]}

ปัจจุบันมีการใช้อิเล็กโทรเวตติ้งในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย^{[ 32 ]}ตั้งแต่เลนส์แบบโมดูลาร์ไปจนถึงเลนส์ปรับได้ จอแสดงผลอิเล็กทรอนิกส์ ( อีเปเปอร์ ) จอแสดงผลกลางแจ้งอิเล็กทรอนิกส์ และสวิตช์สำหรับใยแก้วนำแสง เมื่อเร็วๆ นี้ อิเล็กโทรเวตติ้งได้รับการกล่าวถึงสำหรับการจัดการวัสดุอ่อนโดยเฉพาะ เพื่อลดผลกระทบของวงแหวนกาแฟ [ ^{33 ] นอกจาก}นี้ ยังมีการเสนอแนะตัวกรองที่มีฟังก์ชันอิเล็กโทรเวตติ้งสำหรับการทำความสะอาดคราบน้ำมันและการแยกส่วนผสมของน้ำมันและน้ำ^{[ 34 ]}

การประชุมนานาชาติเกี่ยวกับอิเล็กโทรเวตติ้งจะจัดขึ้นทุกสองปี การประชุมครั้งล่าสุดจัดขึ้นเมื่อวันที่ 18 ถึง 20 มิถุนายน 2018 ณมหาวิทยาลัยทเวนเตประเทศเนเธอร์แลนด์^{[ 35 ]}

เมืองที่เคยเป็นเจ้าภาพการประชุมด้านอิเล็กโทรเวตติ้ง ได้แก่ มอนส์ (1999), ไอนด์โฮเฟน (2000), เกรโนเบิล (2002), บลาวเบอเรน (2004), รอเชสเตอร์ (2006), ลอสแอนเจลิส (2008), โพฮัง (2010), เอเธนส์ (2012), ซินซินเนติ (2014), ไทเป (2016)

• จุดเชื่อมต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ
• ไมโครฟลูอิดิกส์
• สสารอ่อนนุ่ม
• การทำให้เปียก

• ห้องปฏิบัติการ Fan-TASY ที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน (เก็บถาวรปี 2020)
• ห้องปฏิบัติการไมโครฟลูอิดิกส์ วีลเลอร์แห่งมหาวิทยาลัยโทรอนโต
• ห้องปฏิบัติการไมโครฟลูอิดิกส์ดิจิทัล มหาวิทยาลัยดุ๊ก
• ฟิสิกส์ของของไหลเชิงซ้อน ณ มหาวิทยาลัยทเวนเต้
• แผนภาพอธิบายปรากฏการณ์อิเล็กโทรเวตติ้ง
• ความก้าวหน้าของจอแสดงผลแบบอิเล็กโทรเวตติ้ง
• ห้องปฏิบัติการนาโนอิเล็กทรอนิกส์ ณ UC NanoLab มหาวิทยาลัยซินซินเนติ
  • การวิจัย NanoLab ที่มหาวิทยาลัยซินซินนาติ
• จอแสดงผล Liquidvista ขนาด 6.2 นิ้ว พร้อมระบบ Electrowetting ความถี่ต่ำ
• การพัฒนาระบบและอุปกรณ์แบบครบวงจร โดยมีความเชี่ยวชาญพิเศษด้านการสร้างต้นแบบด้วยกระบวนการอิเล็กโทรเวตติ้ง ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยซินซินเนติ