25533

بررسي تاثير هندسه نانوكانال بر رفتار يون‌گزيني نانوكانال‌هاي نرم

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1400

1400/8/19

سيد نظام الدين اشرفي زاده

مهندسي شيمي، نفت و گاز

نانوكانال‌هاي نامتقارن به دليل عدم تقارن، داراي ويژگي‌هاي الكتروسينتيكي بسيار جذاب از جمله يون‌گزيني، يكسوسازي جريان يوني و پلاريزاسيون غلظتي يوني هستند. به دليل ويژگي‌هاي يون‌گزيني و‌ يكسوسازي جريان يوني، اخيراً نانوكانال‌هاي نامتقارن پوشيده شده با لايه پلي‌الكتروليت مورد توجه قرار گرفته‌اند. در كار حاضر، تأثير هندسه نانوكانال‌هاي نامتقارن (شيپوري، مخروطي، گلوله‌اي و سيگاري) و متقارن (استوانه‌اي) بر يون‌گزيني و يكسوسازي جريان يوني در نانوكانال‌هاي نرم براي حالت‌هاي با در نظر گرفتن اثر جدايش يوني و بدون در نظر گرفتن اثر جدايش يوني مورد مطالعه قرار گرفت. براي اين منظور، با اتخاذ يك رويكرد محاسبات عددي به روش المان محدود، معادلات پواسون-نرنست-پلانك و ناوير-استوكس با در نظر گرفتن مقادير مختلف گذردهي، ضريب نفوذ و ويسكوزيته ديناميكي براي پلي‌الكتروليت و الكتروليت، براي حالت پايا حل گرديد. مدل مورد نظر با مقايسه نتايج داده‌هاي شبيه‌سازي موجود مورد تأييد قرار گرفت. نتايج نشان داد كه: 1- فاكتور يون‌گزيني براي نانوكانال استوانه در ولتاژهاي اعمالي V_app=+1V و V_app=-1V تقريبا برابر است. 2- فاكتور يون‌گزيني نانوكانال‌هاي نامتقارن در ولتاژهاي اعمالي V_app=+1V و V_app=-1V از ترتيب S_Trumpet>S_Conical>S_Bullet>S_Cigar پيروي مي‌كند. 3- فاكتور يكسوسازي جريان يوني براي نانوكانال استوانه تقريبا برابر با واحد است. 4- در غلظت‌هاي پايين توده، فاكتور يكسوسازي جريان يوني از ترتيب R_(f_Cigar )>R_(f_Bullet )>R_(f_Conical )>R_(f_Trumpet ) و براي غلظت‌هاي بالا توده از ترتيب R_(f_Bullet )>R_(f_Cigar )>R_(f_Conical )>R_(f_Trumpet ) پيروي مي‌كند. براي نمونه زماني كه غلظت توده برابر با c_0=20 mM و دانسيته بار لايه نرم برابر با N_PEL/N_A=80 mol/m^3 است، فاكتور يون‌گزيني براي نانوكانال شيپوري در ولتاژ اعمالي V_app=+1V از مقدار 0.56 در شرايط η_ε=η_μ=η_D=1 به مقدار 0.83 در شرايط η_ε=η_D=0.4,η_μ=6 مي‌رسد، همچنين فاكتور يكسوسازي جريان يوني براي نانوكانال گلوله‌اي از مقدار 3.35 در شرايط η_ε=η_μ=η_D=1 به مقدار 5.78 در شرايط η_ε=η_D=0.4,η_μ=6 مي‌رسد. اين اهميت در نظر گرفتن اختلاف خواص لايه نرم و الكتروليت در افزايش دقت مدل و تاثير آن بر بهبود فاكتور يون‌گزيني و يكسوسازي را برجسته مي‌كند.

1400/09/01

Investigation of the effect of nanochannel geometry on ion selectivity behavior of soft nanochannels

11/10/2022 12:00:00 AM

Asymmetric nanochannels have desirable electrokinetic properties due to asymmetry, including ion selectivity, ionic current rectification, and ionic concentration polarization. Asymmetric nanochannels coated with a polyelectrolyte layer recently have been considered due to their ion selectivity and ionic current rectification properties. In the present work, asymmetric (Trumpet, Conical, Bullet, and Cigar) and symmetric (Cylindrical) nanochannel geometry on ion selectivity and ionic current rectification in soft nanochannels for modes considering the effect of ion partitioning and without The effect of ion partitioning was studied. For this purpose, by adopting a finite element numerical calculation approach, the Poisson-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations were solved for the steady-state by considering different values of permittivity, diffusivity, and dynamic viscosity for polyelectrolyte and electrolyte. The model was confirmed by comparing the results of existing simulation data. The results showed that: 1- The ion selectivity factor for cylindrical nanochannels is approximately equal at the applied voltages V_app=+1V and V_app=-1V. 2- The ion selectivity factor of asymmetric nanochannels at applied voltages V_app=+1V and V_app=-1V follows the order S_Trumpet>S_Conical>S_Bullet>S_Cigar. 3- The ionic current rectification factor for cylindrical nanochannel is approximately equal to unity. 4- At low balk concentrations, the ionic current rectification factor is R_(f_Cigar )>R_(f_Bullet )>R_(f_Conical )>R_(f_Trumpet ) and for high balk concentrations is R_(f_Bullet )>R_(f_Cigar )>R_(f_Conical )>R_(f_Trumpet ) follows. For example, when the balk concentration is equal to c_0=20 mM, and the charge density of the soft layer is N_PEL/N_A=80 mol/m^3, the ion selectivity factor for the trumpet nanochannel at the applied voltage V_app=+1V from 0.56 under η_ε=η_μ=η_D=1 is 0.83 under η_ε=η_D=0.4,η_μ=6, and the ionic current rectification factor for a bullet nanochannel from 3.35 under η_ε=η_μ=η_D=1 at 5.78 under η_ε=η_D=0.4,η_μ=6 reaches. This highlights the importance of considering the difference between the soft layer's properties and the electrolyte to improve the ion selectivity and ionic current rectification.

هندسه نانوكانال , يون‌گزيني , يكسوسازي جريان يوني , پلاريزاسيون غلظتي يوني , لايه پلي‌الكتروليت , اثر جدايش يوني

Nanochannel geometry , Ion selectivity , Ionic current rectification , Ionic concentration polarization , Polyelectrolyte layer , Ion partitioning effect