非牛顿流体通过具有pH响应和部分离子可穿透聚合物层的软纳米通道

时间：2024/02/01　　点击量：

　　近年来，通过纳米通道的电渗透流(EOF)在设计芯片实验室设备方面得到了广泛的应用，这些设备通常用于生物分析、化学分析以及工业研究和开发。当一个带电的表面暴露在电解质溶液中，一层固定的离子就在表面附近形成，其厚度接近于离子的直径。这样的层被称为斯特恩层。此外，带电荷壁的通道吸引反离子，排斥离子。此外，移动电解质离子有自己的热能。由于这两者的共同作用，在斯特恩层旁边形成了一层移动电荷。这两层合称为双电层(EDL)。在外加势梯度作用下，带EDL的净电荷受到驱动产生流体流动。这样的流体流动被称为EOF。

　　本文对含非牛顿流体的聚合物接枝软纳米通道中离子的电渗透流动和输运进行了全面的参数化研究。我们考虑矩形狭缝通道中充分发育的水流。带电的聚电解质层(PEL)携带附着在刚性壁上的单价酸性电离基团。在我们的研究中考虑了离子分配效应，这是由聚电解质区域和体电解质的相对介电常数的差异引起的。非线性泊松-玻尔兹曼方程和修正的柯西动量方程是耦合的，用来描述数学模型。本分析的主要目的是证明体pH对PEL中单离子官能团电荷调节的影响，流动行为指标和不同的电流体动力学参数(包括EDL厚度、离子分配参数、德拜长度参数和柔软度参数等)对整体流量调制和选择性参数的影响。

　　通过高度的狭缝软纳米通道调制EOF，通道的宽度被认为远大于通道的高度。电场的强度沿着通道的轴线进一步说明了所进行的问题配置。

　　在图2a-2c中，给出了各种物理化学参数下的静电EDL分布。图2a为在其他参数固定的情况下，德拜长度不同的结果。另外，因为的德拜长度越小，表示电解质浓度越低，反之亦然。与中高值相比，较小的值对PEL电荷的中和作用最小。较高的值放大了由于反离子增加而产生的PEL电荷中和作用，因此EDL静电势的大小随增加而减小。在图2b中，给出了不同体pH选择下的静电电位。观察到EDL电位的大小随着pH的升高而增加。这是合理的，因为PEL中的官能团本质上是酸性的，因此PEL的净电荷量随着pH的升高而增加。然而，pH值的影响不明显，当pH值注意到，在这个临界pH值下，PEL电荷达到最大值，因此，pH值的进一步增加不会导致静电电位的进一步变化。在图2c中，我们给出了不同PEL参数的结果。降低了PEL的静电柔软度，从而增强了PEL的反离子穿透。因此，随着电位的升高，PEL的中和发生得更快，从而降低了EDL电位的大小。

　　在图3a-3c中展示了PH值与轴向平均速度的关系。PH值对由单价可电离官能团(羧酸基)组成的PEL电荷的调节作用。在流量调制中具有重要的作用。对于给定的幂律指数参数值，EDL电位的大小随着pH的增加而增加，从而导致通过通道的总通量增加。可以看到pH值的上升，流速随之增长。

　　图3 纳米软通道中不同PH值的轴向平均速度（a）n=0.8，（b）n=1，（c）n=1.2。

　　在图4a-4c中，我们显示了不同选择的pH值对平均产量的影响。我们可以看到，当软通道参数上升时，流量也会下降。这是合乎逻辑的，因为随着反离子穿透整个PEL-电解质界面的增长，EDL电位的减小，因此通过所进行通道的净流速减小。

　　图4 纳米软通道中不同软通道参数值的轴向平均速度（a）n=0.8，（b）n=1，（c）n=1.2。

　　本文采用基于有限差分的数值格式来获得大跨度的相关参数的流速和其他未知量。此外，进一步推导了弱电荷条件下的流速和EDL电位的分析结果。观察到介电梯度介导的离子分配效应对流量调制有实质性的影响，从而对离子选择性参数有实质性的影响。随着体PH值的增加，离子分配效应的影响进一步增强，但当其影响逐渐达到饱和时。在较厚的EDL层中，离子分配效应的影响更为突出，与较薄的EDL层相比，在较厚的EDL层中，PEL电荷的中和作用较少。进一步强调了PEL的流体流变行为和柔软度参数对流动调制和移动电解质离子选择性的影响。