尾端带电聚电解质刷调控纳米通道中电渗流速度的研究

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电渗流作为一种典型电动输运现象(Electrokinetic transport phenomenon),(Electroosmotic flow,EOF)在微纳机电系统中有着广阔的应用前景,如电动能量转换(Electrokinetic energy conversion,EKEC)系统等。最近的研究表明,纳米通道壁面接枝尾端带电聚电解质刷可提高EKEC系统能量转换效率、提高电渗流速度。但接枝聚电解质刷,对电渗流流动特性产生复杂影响。一方面,聚电解质刷对流动产生阻力;另一方面,聚电解质刷所带电荷使双电层内离子分布位置发生改变。这使得只有在特定的接枝间距和聚合度下,接枝聚电解质刷的纳米通道才能提高电渗流速度。本文采用分子动力学模拟(Molecular dynamics,MD),研究聚电解质刷接枝间距和聚合度对电渗流速度的影响。主要研究内容有:(1)建立了分子尺度聚电解质刷调控电渗流的模型。聚电解质刷珠粒水力半径是影响柔性纳米通道中电渗流模型的参数之一。研究了聚电解质刷结构变化对聚电解质刷珠粒水力半径的影响,表明聚电解质刷珠粒受周围珠粒屏蔽效应影响,聚电解质刷珠粒水力半径远比其物理半径小。验证了所建立的Navier-Stokes-Brinkman(NSB)模型对描述纳米通道中电渗流流场的准确性。(2)通过改变聚电解质刷接枝间距,使聚电解质刷呈蘑菇状、半稀疏刷状和密集刷状结构。研究这三种结构对电渗流速度的影响,发现电渗流速度随接枝间距减小,呈非单调变化。利用连续NSB方程提出速度函数分析方法,阐释了电渗流速度随聚电解质刷结构变化的原因。(3)通过改变聚电解质刷聚合度,研究聚电解质刷聚合度对电渗流速度的影响。结合所提出的速度函数分析方法,分析了离子的驱动效应与聚电解质刷的阻力效应之间相互关系,表明对于聚合度较小的聚电解质刷,降低聚电解质刷聚合度更有利于提高电渗流速度。以上研究为设计基于尾端带电聚电解质刷调控电渗流速度的电动能量转换系统提供了理论指导与有益借鉴。
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