纳米通道中电渗流的分子动力学模拟

摘要

20世纪80年代，机械系统开始向小型化、微型化发展，出现了微机电系统。为了解决传统的机械式驱动机构造成的设计、加工、控制及密封等方面的问题，电渗作为一种新型的驱动方式广泛的应用于微机电系统。如何正确控制电渗直接影响微电子机械系统的发展。在微米级别改变通道结构和壁面带电状况可以形成剪切流、涡流等复杂的速度流型，从而实现分离粒子和加速混合的用途。但在纳米通道能否出现剪切流、涡流或其他相似的复杂流型有待验证。为此，本文采用分子动力学方法模拟了纳米通道中的电渗现象，对通道壁面分别带正电荷和负电荷时双电层结构和溶液的速度流型进行了比较；研究壁面通道同时带正电荷和负电荷时，电荷排列方式对双电层结构影响，并初步讨论出现复杂流型的可能性。 在纳米通道中，壁面分别带正电荷和负电荷时，双电层结构相反，对离子位置和大小不同；在通道的部分区域内，出现了电荷倒置现象：壁面带负电荷的溶剂速度是壁面带正电荷3倍并且方向相反。上壁面带负电荷下壁面带正电荷时，壁面电荷吸引异号离子聚集在壁面附近；电势分布与经典的电势曲线相比稍有不同，没有明显的线性下降区域，但存在指数下降区域；溶剂速度出现明显的分层现象，形成了明显的剪切流。涡流这种复杂的速度流型与壁面正负电荷排列方式密切相关，当上下两壁面都同时带正电荷和负电荷并且正负电荷呈反对称分布时，在通道中可以观察到涡流。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电渗流研究现状

1.2.1 电渗流概述

1.2.2 平板通道中电渗流实验及数值模拟研究现状

1.3 课题的提出

1.4 课题研究研究方法

1.4.1 实验手段

1.4.2 计算机模拟

1.5 课题来源及研究内容

第二章 平板纳米通道中电渗流的模拟基础

2.1 引言

2.2 电渗流的基本原理及假设

2.3 双电层

2.3.1 界面带电的原因

2.3.2 双电层的结构

2.3.3 电动现象

2.3.4 电渗流的形成机理

2.3.5 电渗流的控制

2.4 电渗流的理论模型

2.4.1 双电层内电势分析

2.4.2 zeta电势

2.4.3 电渗流速度和流型

第三章 分子动力学模拟及并行计算

3.1 分子动力学方法

3.1.1 体系初始化

3.1.2 对比单位

3.1.3 周期性边界条件

3.1.4 作用力场

3.1.5 温度的调节

3.1.6 运动方程积分

3.1.7 提高效率的方法

3.1.8 水分子模型

3.1.9 宏观物理量的统计

3.2 并行方法简介

3.3 分子动力学并行计算流程

第四章 纳米尺度下电渗流的分子动力学研究

4.1 前言

4.2 计算模型验证

4.3 双电层中离子的分布

4.4 溶剂速度分布

4.5 本章小结

第五章 复合型纳米通道内剪切流的分子动力学研究

5.1 前言

5.2 剪切流的计算模型

5.3 模拟结果及分析

5.3.1 粒子分布

5.3.2 屏蔽率

5.3.3 电势分布

5.3.4 溶剂速度分析

5.4 本章小结

第六章 复合型纳米通道内涡流的分子动力学研究

6.1 前言

6.2 涡流计算模型

6.3 模拟结果及分析

6.3.1 粒子分布

6.3.2 溶剂速度分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

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