纳通道中离子和颗粒的输运研究

IMECH-IR > 非线性力学国家重点实验室

	纳通道中离子和颗粒的输运研究
英文题名	Ion and Particle Transport in Nanofluidic Channels
	王俊荣
导师	胡国庆
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	近年来，随着微纳加工技术的快速发展，以及纳米科学和纳米技术的需要，研究纳通道中流体流动规律及应用的纳流控技术引起了人们广泛的兴趣和关注。纳通道一般为至少在一个方向上的尺度为1–100 nm的通道或孔。由于其尺寸接近于双电层的厚度和纳米颗粒（包括合成颗粒和生物大分子等）的尺寸，纳通道拥有巨大的研究价值和应用前景。本文主要针对离子和颗粒在纳通道中的输运机理展开研究，探索纳米尺度物质输运的新规律，开发纳流控器件的新应用。首先探索了基于微纳加工技术的纳通道制造工艺，成功将离子束刻蚀方法用于纳通道的加工，在硅晶片和玻璃晶片上获得了形状规则、尺寸可控的纳通道。使用加工的纳通道，进行了不同氯化钾溶液浓度下的电导实验测量。随后，使用基于连续介质假设的数值模拟研究了纳通道中离子电流的形成机制，以及纳通道表面电荷效应。通过实验和计算的对比，得到不同溶液浓度下的纳通道表面电荷密度。基于菲克第二定律，提出了一种新的电流监测方法来测量高浓度溶液下的纳米尺度离子扩散系数。通过进一步的理论分析，将这种方法扩展应用到中等浓度和低浓度。通过监测扩散过程中的离子电流，成功获得了不同浓度的氯化钾溶液在纳通道中的扩散系数。结果表明，纳通道中的扩散系数与宏观尺寸下接近。同时，在低浓度实验时获得了很小的表观扩散系数，我们将其归结为纳通道表面电荷的缓慢变化，并获得了纳通道表面电荷密度与溶液之间的平衡速率。纳米孔能够用于快速检测纳米颗粒。通过实验成功检测到了带电纳米颗粒穿过纳米孔的电流脉冲信号，并且发现接入电阻对电流脉冲影响很大。使用数值模拟系统研究了接入电阻对颗粒穿孔电流脉冲的影响。对纳米孔及颗粒表面不带电荷情况，提出了分析模型来估量颗粒过孔条件下的接入电阻，能够有效预测颗粒穿过各种尺寸纳米孔的电流脉冲大小。对纳米孔及颗粒表面带电荷情况，研究结果表明，接入电阻的影响随着纳米孔或颗粒的表面电荷密度的增加而增大，相应的电流脉冲大小会减少。研究还发现，表面电荷效应显著时会产生离子浓差极化导致电流脉冲变形。
索取号	31142
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48955
专题	非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	王俊荣. 纳通道中离子和颗粒的输运研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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