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微电子机械系统(MEMS:micro electromechanical system)的研究始于上个世纪的八、九十年代,目前已经成为一股研究潮流。而微泵控制技术是微电子机械系统发展需要解决的关键问题之一,由于电渗流(EOF:electroosmotic flow)微泵结构简单,操作易行等优点,得到了人们越来越多的关注。电渗流微泵是基于界面化学、静电场、流体力学等理论开发出的微泵。其应用不局限于微机电系统,在医疗中的药物输送,工、民用的两相流制冷,甚至宇航科技中都有着广阔的应用前景。基于连续介质假设,Poisson-Boltzmann方程和Nayier-Stokes方程的连续性理论在可以成功解释微米尺度以上的双电层中粒子分布和电渗流。当管径减小至纳米级时,由于尺度与双电层厚度(Debye长度)处于同一量级,连续性理论是否仍然能够用于描述纳米尺度的双电层分布及电渗流运动情形就很值得探讨。
由于电渗流体通常以水为溶剂,采用分子动力学模拟方法,本文首先在对水分子结构的分析和作用势研究的基础上对其结构进行了模拟验证。然后研究了不同表面电荷密度下,直径为3nm,总长为5.1nm的圆柱形纳米管道中溶液粒子分布情况及电渗流特性。采用更为接近工程实际的体态一带电部分一体态的纳米管道模型,在管道中段离散分布一定数目的单位元电荷,平衡后,再取出该段在两端加上电场进行电渗流驱动过程模拟。分别采用截断半径方法和一维Ewald求和方法模拟长程作用的库仑力。仿真结果表明,表面电荷密度越大,电荷倒置现象越明显,电荷倒置现象对电渗流有直接影响;其次,仿真结果也表明基于连续理论的Poisson-Boltzman方程已不能准确地描述纳米管道中的离子分布情况,尤其是在靠近管壁附近,该方程得到的离子浓度与模拟结果差异较大;基于Navier-Stokes方程的流体动力学理论,对其边界条件作适当改变后,在管中心区域其预测结果可以与模拟结果吻合得较好;而在靠近管壁的区域由于溶液粘度发生变化,连续理论的预测与模拟结果存在明显差异。