一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流研究方法技术

本发明专利技术公开了一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流研究方法。基于锥形纳米孔的结构特征，设定纳米孔的仿真模拟尺寸和边界条件；设定纳米孔中层流、稀物质传递和静电场的初始条件；设定纳米孔表面离子可穿透性电解质层厚度、电解质层中电荷密度随pH变化而改变。利用改进的Stokes‑Brinkman方程以及针对离子运输的多离子PNP方程。全面研究溶液中的四种离子，包括从背景盐分离出来的两种离子，以及决定pH值的H+和OH‑。模拟仿真出带pH可调电解质层的锥形纳米孔在不同pH和不同溶液浓度条件下的整流特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计纳米孔离子传输、离子整流模拟仿真研究方法，属于微流控

技术介绍
受到生物体中生物离子通道可以选择性地透过特定种类离子的启发，人们对开发基于纳米孔的合成设备来主动控制离子、流体和生物粒子的传输以及为各种生物传感应用探测小的生物分子的兴趣快速增长。1-5纳米加工技术的显著提高也使基于纳米孔的技术的研究和应用变为可能。6-7纳米孔的特征长度尺度通常可与德拜屏蔽长度相较，在这种长度中，静电交互作用变得明显并能显著得纳米孔中的传输现象。研究发现，纳米孔中的离子传输在某些条件下是表面电荷控制的，与整体离子浓度无关。8-10纳米孔的这种特性导致了几个有趣的运输现象，例如，离子选择性、离子浓度极化和离子电流整流。尤其在最后一种情况中，纳米孔显示出一种非对称的类似二极管的电流-电压特性，这种特性是纳流体逻辑设备结构的基础。Wei等人1997年在一个锥形石英纳米移液管中观察到的。纳米移液管中离子电流的大小取决于所采用的电场的方向，呈现出一种优先电流方向。当孔径与德拜长度相当时，锥形纳米孔中会发生离子电流整流。沿着锥形纳米孔的非均匀孔径会导致不同程度的电双层重叠。结果，几何的非对称会导致沿着孔轴离子分布不均匀，这形成了锥形纳米孔中的离子电流整流。生物离子通道可以调节他们基于局部化学环境的电荷属性，而这种局部化学环境可以通过外在的刺激被激活。例如，规定pH值的生物离子通道通常在纳米孔中包含pH可调的物理化学组用以离子传输的主动控制。借鉴生物离子通道中的pH调节，人们开展了大量的研究来使合成纳米孔在化学上具有仿生智能纳米孔的功效。聚合电解质刷被认为是通过移植带电高分子链到固体表面从而更改分子界面的一种通用技术。聚合电解质层的充电状态取决于局部pH值和盐浓度，这使得在合成纳米孔中形成pH可调的离子传输成为可能。因此，使用聚合电解质刷的合成纳米孔的功能化可以为控制纳米孔的整流特性提供一种灵活的手段。
技术实现思路
本专利技术提供一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流研究方法，仿真模拟揭示锥形纳米孔中pH可调节的离子整流特性。本专利技术采用技术方案如下：步骤1：采用一个轴向长度为LN的锥形纳米孔模型，这个纳米孔被嵌入一个沿着包括纳米孔壁在内的整个膜表面末端移植的带有均匀聚合电解质刷层的薄膜中，如图1所示。我们假定聚合电解质层是离子可穿透的、结构均匀的并且有统一的厚度Rs。功能化的薄膜隔开了两个大的同样的液体蓄液池，蓄液池里装满了一种包含四种离子的不可压缩的电解质溶液。在两个蓄液池间所有种类离子的运输都要通过上圆顶半径为RT，基底半径为RB的锥形纳米孔。两个轴向长度为LR，半径为RR的蓄液池都足够大，以至于在远离薄膜的地方的每种离子的浓度都维持是它的总体离子浓度。一个外部电压差被施加在位于远离纳米孔的两个液体蓄液池内的两个电极之间。经过纳米孔的离子运输导致了离子电流。由于锥形纳米孔轴向对称的性质，采用以纳米孔的中心为原点的圆柱坐标系(r,z)。采用了由改进的Stokes-Brinkman方程和PNP方程组成的连续性模型来模拟流体动力学、静电学和离子运输。(1)改进的Stokes-Brinkman方程其中，p，η和u分别是流体压力、流体粘度和流体速度矢量。是移动离子的空间电荷密度，其中，F,N,zi和ci分别是法拉第常数、离子种类总数、第i种离子的化合价和浓度。φ是电势。h＝0和1分别是表示在聚合电解质层外面的区域和里面的区域。γ是聚合电解质层的流体动力学的摩擦系数。等式1的左边第三项代表电场和电解质溶液中的净电荷密度之间的相互作用引起的静电力，其会引起电渗流。因为纳米孔中电渗流雷诺数非常小，等式1中的惯性项可以被安全地忽视。(2)PNP方程在上式中，εf是流体的绝对介电常数；ρPE是聚合电解质层的空间电荷密度；Ni和Di分别是第i种离子的通量密度和扩散率。R和T分别是通用气体常数和流体的绝对温度。注意，离子通量密度Ni的第一、第二和第三项分别代表对流、扩散和电子迁移通量。步骤2：带有pH值可调的两性离子的聚合电解质刷的纳米孔的功能化已经被实现了从而证实了锥形纳米孔中规定pH值得离子电流整流的可行性。假设最终移植到纳米孔壁的聚合电解质层既携带酸性组分又携带基本官能团，AH和BH+,经历以下的离解反应：令KA＝[A-][H+]/[AH]和KB＝[B][H+]/[BH+]为两个离解反应的平衡常数，其中[X]是指聚合电解质层中X的体积摩尔浓度。酸性组分和基本官能团的总浓度分别是NA＝[A-]+[AH]和NB＝[B]+[BH+]，基于此，等式(3)中聚合电解质层的电荷密度可得出为：步骤3：采用以下的边界条件来解决强耦合控制方程(1)-(4)。(1)在蓄液池末端与纳米孔顶端与底部接触的电为分别为φ(阳极)＝V和φ(阴极)＝0。相应的离子浓度达到他们的总体值，也就是，ci＝Ci0。在蓄液池的两端指定为没有外部电压梯度的标准流体，也就是p＝0。(2)在远离纳米孔的两个蓄液池的边界采用零表面电荷，也就是零标准离子通量，也就是n·Ni＝0和滑移速度边界条件。此处n代表表面的单位法向量。(3)包含纳米孔壁在内的整个膜表面是不带电的、不可穿透离子的且无滑移的，分别服从和u＝0。(4)电势、电场、离子浓度和流场在聚合电解质层和液体间的交界面处都是连续的。(5)沿着纳米孔的轴线指定为轴对称边界条件。步骤4：纳米孔中由此产生的离子电流通过对沿着位于蓄液池末端的阳极或阴极表面的净电流积分获得：附图说明图1是受到外部电场作用的具有pH值可调的聚合电解质层功能的锥形纳米孔中的离子运输示意图。图2是当CKCl＝10mM时在pH＝10(实线)，pH＝6(虚线)和pH＝3(点划线)时的电流-电压曲线图3是当CKCl＝100mM时，在pH＝10(实线)，pH＝6(虚线)和pH＝3(点划线)时的电流-电压曲线图4是当CKCl＝200mM时，在pH＝10(实线)，pH＝6(虚线)和pH＝3(点划线)时的电流-电压曲线图5是当pH＝3，CKCl＝100mM，V＝-1V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图6是当pH＝3，CKCl＝100mM，V＝0V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图7是当pH＝3，CKCl＝100mM，V＝1V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图8是当pH＝6，CKCl＝100mM，V＝-1V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图9是当pH＝6，CKCl＝100mM，V＝0V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图10是当pH＝6，CKCl＝100mM，V＝1V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图11是当pH＝10，CKCl＝100mM，V＝-1V时，沿锥形纳米孔轴线的平均横截面离子浓度(虚线是H+，实线是K+，短划线是Cl-，点划线是OH-)。图12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流研究方法，包括如下步骤，其特征在于：步骤(1)分析物理场控制方程，本模拟仿真主要包括改进的Stokes‑Brinkman方程和PNP方程。步骤(2)根据仿真条件确定仿真参数数值，包括溶液浓度，电场强度，pH值，离子扩散系数，电解质层层接枝密度，等参数数值。步骤(3)确定锥形纳米孔各物理场边界条件和初始值，电解质层中电荷密度随pH变化而变化。步骤(4)利用步骤(2)和(3)中设定数值对纳米孔中溶液进行多物理场耦合仿真，采用直接求解进行仿真模拟。步骤(5)根据仿真数据分析纳米孔中离子整流特性，分析纳米孔中离子变化情况。

【技术特征摘要】
1.一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流研究方法，包括如下步骤，其特征在于：步骤(1)分析物理场控制方程，本模拟仿真主要包括改进的Stokes-Brinkman方程和PNP方程。步骤(2)根据仿真条件确定仿真参数数值，包括溶液浓度，电场强度，pH值，离子扩散系数，电解质层层接枝密度，等参数数值。步骤(3)确定锥形纳米孔各物理场边界条件和初始值，电解质层中电荷密度随pH变化而变化。步骤(4)利用步骤(2)和(3)中设定数值对纳米孔中溶液进行多物理场耦合仿真，采用直接求解进行仿真模拟。步骤(5)根据仿真数据分析纳米孔中离子整流特性，分析纳米孔中离子变化情况。2.如权利要求1所述的一种带pH可调电解质层的锥形纳米孔离子整流的仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用的改进Stokes-Brinkman方程▿p+η▿2u-ρe▿φ-h&gamma...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾振平，彭新伟，单惠霞，桂林卿，钱玉文，束锋，戴永胜，季晓旭，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32