27623

مدل‌سازي جريان الكترواسمزي در ريزكانال‌هاي يون انتخابگر

دكترا

مهندسي شيمي

1396-1401

1401/09/12

دكتر سيد نظام الدين اشرفي زاده

مهندسي شيمي، نفت و گاز

دراين پژوهش به بررسي پديده الكترواسمز در ريزكانال‌هاي يون‌انتخابگر پرداخته شده است. پديده يون ‌انتخابگري كه عبارت است از ترجيح انتقال يون‌هاي ناهمنام با بار سطح ديواره كانال نسبت به يون‌هاي همنام، معمولا زماني رخ مي‌دهد كه نانوكانال هندسه نامتقارن داشته باشد. نانوكانال‌هاي نامتقارن داراي ويژگي‌هاي الكتروسينتيكي بسيار جذاب از جمله يون‌گزيني، يكسوسازي جريان يوني و پلاريزاسيون غلظتي يوني هستند. به دليل اين ويژگي‌ها، اخيراً نانوكانال‌هاي نامتقارن پوشيده شده با لايه پلي‌الكتروليت (نرم) مورد توجه قرار گرفته‌اند. اين پژوهش به دو فاز كلي تقسيم شده است. در فاز نخست به بررسي اثر يون‌گزيني روي الكترواستاتيك و الكترواسمز در نانوكانال‌هاي سخت و نرم به صورت تحليلي پرداخته شده است. در فاز دوم، پديده الكترواسمز در نانوكانال‌هاي نرم يون‌انتخابگر به صورت عددي مطالعه شده است. در اين فاز اثر خواص لايه نرم، اثر هندسه كانال، لغزش جداره و نوع سيال بر الكترواسمز، فاكتور‌هاي يون گزيني و يكسوسازي جريان يوني مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج به دست آمده نشان داد كه: نانوكانال‌هاي نرم كاملاً يون‌انتخابگر (كه در آن‌ها فقط يون‌هاي ناهمنام وجود دارند) سرعت الكترواسمزي بالاتري نسبت به نانوكانال‌هاي نرم عادي دارند. سرعت الكترواسمزي بدون بعد در يك نانوكانال نرم با ضخامت لايه نرم بدون بعد 2/0، با در نظر گرفتن پارامتر فضايي 3/0 تقريبا دو برابر مي‌شود. با افزايش دانسيته بار بدون بعد از 20 به 100، پويايي الكترواسمزي تقريبا پنج برابر مي‌شود. از ميان هندسه‌هاي مورد بررسي، نانوكانال شيپوري و نانوكانال گلوله‌اي شكل به ترتب منجر به فاكتور يون‌گزيني و يكسوسازي جريان يوني بزرگتري نسبت به ساير نانوكانال‌ها مي‌شوند. با تغيير تابع توزيع بار پلي‌الكتروليت از حالت يكنواخت به تابع گام نرم، مي‌توان فاكتور يكسوسازي جريان را از مقدار 3 به مقدار 18 رساند. در شرايطي كه لايه نرم ضخيم‌تر باشد يون‌گزيني بيشتر است. با افزايش ضخامت لايه نرم از nm 4 به nm 8، يون‌گزيني 25 درصد افزايش و با غليظ شدن الكتروليت از mM 4 به mM 100، يون‌گزيني60 درصد كاهش مي‌يابد. از نتايج مهم ديگر اين است كه بهره‌وري از آب‌گريزي سطح، سرعت جريان الكترواسمزي را بهبود مي‌بخشد. تأثير بار جداره نانوكانال بر جريان سيال غيرنيوتوني خون مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد كه با تغيير بار جداره نانوكانال از C/m^2 0 به C/m^2 02/0- ، در شرايطي كه بار لايه نرم mol〖/m〗^3 100 باشد، سرعت جريان الكترواسمزي سيال خون و فاكتور يكسوسازي به ترتيب دو و هشت برابر مي‌شود.

1401/10/10

Modeling of Electroosmotic Flow in Ion selective Micro/Nanochannels

12/3/2023 12:00:00 AM

In this research, the phenomenon of electroosmosis in ion-selective micro/nanochannels has been investigated. The phenomenon of ion selectivity, which is the preference for the transport of counter-ions with the surface charge of the channel wall over co-ions, usually occurs when the nanochannel has an asymmetric geometry. Asymmetric nanochannels have very attractive electrokinetic properties including ion selectivity, ion current rectification and ion concentration polarization. Due to these features, asymmetric nanochannels coated with (soft) polyelectrolyte layer have recently been of interest. This research is divided into two general phases. In the first phase, the effect of ion selection on electrostatics and electroosmosis in hard and soft nanochannels has been studied analytically considering steric effects. In the second phase, the phenomenon of electroosmosis in ion-selective soft nanochannels has been numerically studied. In this phase, the effects of soft layer properties (ion partitioning, hydrophobicity, diffuse soft layer), channel geometry, wall slip and fluid type on electroosmosis, factors of ion selectivity and ion current rectification have been studied. In summary, it was observed that: fully ion-selective soft nanochannels have a higher electroosmotic speed than conventional soft nanochannels. The dimensionless electroosmotic velocity in a soft nanochannel with dimensionless soft layer thickness of 0.2 is almost doubled considering the steric parameter of 0.3. By increasing the dimensionless charge density from 20 to 100, the electroosmotic mobility increases almost fivefold. Among the investigated geometries, trumpet nanochannel and Bullet-shaped nanochannel respectively lead to a larger ion selectivity and ion current rectification than other nanochannels. By changing the polyelectrolyte charge distribution function from uniform to soft step function, the current rectification factor can be increased from 3 to 18. When the soft layer is thicker, ion selectivity is more. By increasing the thickness of the soft layer from 4 nm to 8 nm, the ion selectivity increases by 25% and when the electrolyte concentration increases from 4 mM to 100 mM, the ion selectivity decreases by 60%. Changing the nanochannel wall charge from 0 C/m^2 to -0.02 C/m^2, in the condition that the charge of the soft layer is 100 mol〖/m〗^3, leads to doubling and eightfolding of the electroosmotic flow rate of blood fluid and the ionic rectification, respectively. Another important result is that the benefiting from surface hydrophobicity leads to the improvement of the electroosmotic flow rate.

الكترواسمز , ريزكانال‌هاي يون‌انتخابگر , لايه پلي‌الكتروليت , انتقال يون , يكسوسازي جريان يوني

Electro-osmosis , Ion selective micro/nanochannels , Polyelectrolyte layer , Ion transport , Ionic current rectification

Zahra Seifollahi

Dr. Seyed Nezameddin Ashrafizadeh