【摘要】：自20世紀(jì)90年代首次提出單一納米孔作為一種潛在的快速和低成本的DNA測序工具以來(PNAS,1996,93,13770),關(guān)于生物納米孔、合成納米孔和納米溝道等納流體器件的研究已經(jīng)得到廣泛的報道。納流體器件由于其納米尺度涉及多種物理機制耦合,比如流體動力學(xué)方程、溝道壁面電荷引起的靜電學(xué)方程、以及描述離子運動的離子輸運方程。多物理場耦合使得納流體器件的物理特性分析十分復(fù)雜,目前缺乏清晰明確、一致認同的物理框架。本文基于解耦溝道軸向和徑向傳輸?shù)慕苹A(chǔ),構(gòu)建鹽濃度偏置下納流體體系的仿真模型-空間電荷模型(Space-Charge Model)。進一步從自建電勢的表達式中概述了反離子的非均勻分布所引起的排斥勢效應(yīng)和離子遷移率不同形成的擴散電勢效應(yīng)。并基于兩種效應(yīng)的競爭機制以及仿真模型給各類實驗現(xiàn)象提供了物理圖景解釋,也驗證所建動力學(xué)模型的正確性。然后提出基于納流體器件的鹽濃度梯度發(fā)電的關(guān)鍵性能指標(biāo),即輸出功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率,以及它們對溝道長度、溝道兩端鹽濃度偏置等納米溝道參數(shù)的依賴性。為了充分利用鹽濃度偏差誘導(dǎo)的熱能,我們提出了二級逐步利用河流和海洋交匯處激發(fā)的熱能的納米溝道器件設(shè)計,并對納米溝道的長度進行優(yōu)化,實現(xiàn)了熱輸入功率與能量轉(zhuǎn)換效率之間的最佳平衡。最后針對最近出現(xiàn)的弱電解質(zhì)在納流體器件中的輸運實驗,我們基于電離平衡效應(yīng),建立了納米溝道中弱電解質(zhì)輸運的電動力學(xué)模型,并分別利用Poisson-Nernst-Plank(PNP)方程和Navier-Stokes方程描述其離子和流體的輸運過程。所建弱電解質(zhì)模型仿真結(jié)果與實驗結(jié)果十分吻合,進一步預(yù)測使用弱電解質(zhì)濃度偏置比使用強電解質(zhì)濃度偏置會獲得更大的開路電壓。
【圖文】：

1 緒論的研究背景及意義學(xué)可以定義為通過納米溝道(尺度通常為 1-100 納米) 流體輸運然界中，不同大小尺度的納流體系統(tǒng)的例子比比皆是。例如所都是由納流體環(huán)境中的離子溝道調(diào)控的; 生物腎臟負責(zé)的身體現(xiàn)出的自清潔能力和甲蟲翅膀的超疏水現(xiàn)象都是自然界中發(fā)生體相關(guān)現(xiàn)象[1]。然而且，在過去的二十年中，微納米制造和表納流體現(xiàn)象及其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。與納流體密切相關(guān)的各的一些相關(guān)領(lǐng)域也正在蓬勃發(fā)展，如圖 1-1 所示。

ouy和Chapman改進的模型也存在弊端：當(dāng)界面兩端無窮大。這是因為他們將離子抽象為一個點，這也而，當(dāng)界面兩端電勢差很大時，這些抽象的“點電面的位置，因此正負電荷的距離 d 將趨緊于 0，從而 在G-C 模型的基礎(chǔ)上，加入了一個新的條件：離子是較為緊密的內(nèi)層稱為亥姆赫茲層（Helmholtz layer），，為恒定值，不受電勢差的影響。外層仍為擴散層，擴散層電容 CD為串聯(lián)，共同組成雙電層電容 Cd，解題。電雙層的厚度用德拜長度（Debye length， ） = √ щ 別代表溶液的介電常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)和溫度。zi和和在溶液中的濃度。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN403

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本文編號：2706921