第 1 章  緒論

隨著微納流控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，納米通道成為制約微納流控系統(tǒng)發(fā)展的主要因素之一，提高納米通道的智能調(diào)節(jié)能力是實(shí)現(xiàn)“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”的關(guān)鍵技術(shù)[3,4]。由于制造工藝的局限性，納米通道一般是由聚合物或非聚合物表面修飾聚合物構(gòu)成；其中，表面修飾聚合物刷對(duì)智能納米通道的功能起著重要的作用。最近的研究顯示，聚合物修飾的納米通道表面能夠控制電滲流和使表面分析物的作用能最小化[5,6]，這對(duì)使用電泳技術(shù)使生物分子分離是十分重要的。通過(guò)對(duì)微納通道表面接枝聚合物刷(polymer  brushes)，賦予了微納通道許多新功能，拓寬了微流控的應(yīng)用領(lǐng)域。聚合物刷是指接枝或生長(zhǎng)在納通道表面的刷狀均聚或共聚態(tài)高分子聚合物結(jié)構(gòu)變化形成的刷狀特殊結(jié)構(gòu)表面。用聚合物刷來(lái)構(gòu)造材料表面的納米結(jié)是一種簡(jiǎn)單高效的納米制造新方法[7]，可廣泛應(yīng)用于生物制造、納米電子、新能源和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。聚合物刷的一些殊性能使其可作為智能材料用于各種微納流控器件的制造[8-14]。接枝于通道表面的聚合物刷可以對(duì)環(huán)境條件（溫度、pH 值、光、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力、殊生物分子及細(xì)胞等）的微小變化做出響應(yīng)，因此可以用于制造微流控系統(tǒng)的智能傳感器；在微納通道表面接枝聚合物刷能有效地改變流道表面的一些性質(zhì)，如減少流阻[10]、潤(rùn)滑、潤(rùn)濕、摩擦、粘附性和生物相容性等；可通過(guò)外界條件（電場(chǎng)等）變化控制通道內(nèi)的聚合物刷構(gòu)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流體的閥控作用。

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第 2 章  聚合物在納米通道內(nèi)的自組裝結(jié)構(gòu) 

2.1  引言

本文第一章文獻(xiàn)綜述得出結(jié)論：納米管的直徑是影響嵌段共聚物相行為的重要原因。因此，在本章研究中，納米管直徑的變化將作為重要參數(shù)進(jìn)行深度研究。在本章中將采用分子動(dòng)力學(xué)方法，首先對(duì)較為簡(jiǎn)單的中性二嵌段共聚物在多壁納米管中的相行為進(jìn)行研究。而后，分別研究較為復(fù)雜的三嵌段共聚物在單壁及多壁納米管中的構(gòu)象變化情況。對(duì)于影響嵌段共聚物相行為的主要參數(shù)，如納米管尺寸及壁面吸附強(qiáng)度等，本文都將進(jìn)行深入的分析研究。模擬過(guò)程中，將得到一系列嵌段共聚物的相圖，本文通過(guò)分析這些相圖，可為后續(xù)的工作提供理論指導(dǎo)。 

2.2  分子動(dòng)力學(xué)

在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，由于計(jì)算條件限制，系統(tǒng)中的粒子數(shù)目是有限的，且一定會(huì)有部分粒子位于模擬盒子邊緣。因此，計(jì)算結(jié)果不可避免會(huì)受到模擬盒子的尺寸和表面性質(zhì)的影響。但由于考慮到不能為避免這種不利影響而將模擬系統(tǒng)設(shè)定為極端大，故合理有效的處理模擬盒子的邊界條件對(duì)于分子動(dòng)力學(xué)模擬是非常必要的。在本文的研究中，對(duì)于模擬盒子的邊界處理有兩種方式，即周期性邊界條件和固定邊界條件。

第 3 章  兩親共聚物刷對(duì)納米通道的閥控作用研究 ............................ 55

3.1  引言 ................. 55
3.2  兩親性共聚物的溫度響應(yīng) ................ 55
3.3  兩親性共聚物的溶劑特性響應(yīng) ........... 65
第 4 章  流道上下壁面分別接枝帶有相反電荷的聚電解質(zhì)刷對(duì)電滲流的影響 ........................ 75
4.1  引言 ............ 75
4.2  聚電解質(zhì)刷接枝密度及電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電滲流的調(diào)控研究 ........ 75
4.3 不同帶電比例聚電解質(zhì)刷對(duì)電滲流的調(diào)控研究 ..................... 92
第 5 章  聚兩性電解質(zhì)刷對(duì)電滲流抑制作用的研究 ........... 105
5.1  引言 ..... 105
5.2  不同帶電比例聚兩性電解質(zhì)刷對(duì)電滲流的抑制作用研究 .. 105
5.3 不同電荷分布聚兩性電解質(zhì)刷對(duì)電滲流的抑制作用研究 ... 116

第 6 章  接枝聚合物刷的多孔介質(zhì)膜電滲泵實(shí)驗(yàn)研究 

6.1  引言 

本章將首先研究聚合物納米通道的制備方法，并將納米通道用于多孔介質(zhì)膜電滲泵，實(shí)驗(yàn)研究接枝不同聚合物后對(duì)電滲流的影響規(guī)律；實(shí)驗(yàn)研究分析改變外加電場(chǎng)強(qiáng)度、聚合物刷接枝密度、刷層厚度和親疏水性等對(duì)電滲流的調(diào)控作用。 

6.2  電滲泵制備

如圖 6. 2 所示  ，電滲泵流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源、電滲泵、待泵送溶液儲(chǔ)存池、儲(chǔ)液池、氫氣供給系統(tǒng)組成。本文選用去離子水作為工作流體，流量計(jì)算使用測(cè)量液體累加質(zhì)量的方法。電滲泵工作前需將泵送液體灌滿整個(gè)泵體，使用電化學(xué)工作站在氣體擴(kuò)散電極上分別施加四種電壓：0.3V、0.5V、1.0V 和 1.5V，在電滲泵工作 10 個(gè)小時(shí)后測(cè)量?jī)?chǔ)液池內(nèi)去離子水重量變化并計(jì)算電滲泵流量大小。實(shí)驗(yàn)中使的儀器：LK98BⅡ型微機(jī)電化學(xué)分析系統(tǒng)、超聲波震蕩儀、SU8010 型發(fā)射掃描電鏡（日立公司）、干燥箱（MTI 公司）、FA1004 型電子秤、高溫液壓壓片機(jī)、HF-150 小型氫氣發(fā)生器。 實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)藥品為：PAN、PEI、PS 粉末，均為市售通用聚合物；NMP（購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)）；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60 wt%的 PT/C 催化劑（購(gòu)自 johnson Mathey 公司）；AAO 膜（購(gòu)自上海上木科技）；活性炭、乙炔黑、PVDF（均為分析純 AR級(jí)別，購(gòu)自沈陽(yáng)科晶）；質(zhì)子交換膜 n117（購(gòu)自 Dupont）；DMF （購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)）。
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第 7 章   全文總結(jié)與展望

本論文系國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“微納流道內(nèi)聚合物刷與流體相互作用的多尺度模擬和實(shí)驗(yàn)研究的電滲流部分研究?jī)?nèi)容之一。針對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)變化形成新結(jié)構(gòu)納米通道的規(guī)律、聚合物刷特殊結(jié)構(gòu)和不同納米結(jié)構(gòu)通道內(nèi)電滲流的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，旨在提供一種用于微納流控系統(tǒng)且可抑制電滲現(xiàn)象的新型納米通道和具有閥控作用的聚合物納米孔通道，同時(shí)為設(shè)計(jì)高性能低壓電滲提供新的解決方案。全文研究工作主要包括以下內(nèi)容及結(jié)論： 1) 本文研究了在兩種特殊的納米通道（選擇性和非選擇性納米管）內(nèi)二嵌段共聚物自組裝結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，綜合考慮了嵌段共聚物的自身屬性（包括嵌段的數(shù)量、各嵌段單體的組成、共聚物分子鏈的排列方式等），分別研究了納米管壁面吸附強(qiáng)度和納米管尺寸對(duì)二嵌段共聚物構(gòu)象的影響。由于實(shí)驗(yàn)難以觀察到多壁納米管內(nèi)共聚物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變化，，本文的研究結(jié)果系首次通過(guò)分子模擬揭示了在多壁納米管內(nèi)二嵌段共聚物螺旋狀結(jié)構(gòu)變化情況。此前還未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)到過(guò)共聚物在多壁納米管中的自組裝結(jié)構(gòu)。雖然多壁納米管和單壁納米管在空間上同樣屬于二維受限，但由于其增加了內(nèi)壁的限制，故二嵌段共聚物在多壁納米管和單壁納米管中的結(jié)構(gòu)構(gòu)象差別很大。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：133424