برداشت انرژي اسمزي با استفاده از الكترودياليز معكوس نانوسيالي به‌عنوان راهبردي تحول‌آفرين براي توليد پايدار انرژي مطرح شده است. با اين حال، بهبود بازده تبديل انرژي همچنان يك چالش اساسي است، زيرا ميان گزينش‌پذيري يوني و هدايت يوني، موازنه‌ها و رقابت‌هايي وجود دارد. در اين پژوهش، يك بررسي عددي جامع از نانوترانزيستورهاي يوني با معماري كانال از نوع منفي–مثبت–منفي (NPN) كه با لايه‌هاي نرم پلي‌الكتروليتي پوشش داده شده‌اند، ارائه مي‌شود. براي آشكارسازي برهم‌كنش پيچيده ميان هندسه نانوكانال، چگالي بار لايه نرم N_PEL و گراديان غلظت اعمال‌شده C_H/C_L، يك چارچوب چندفيزيكي كاملاً كوپل‌شده مبتني بر معادلات پواسون–نرنست–پلانك (PNP) و ناوير–استوكس (NS) توسعه داده شد. شش هندسه متمايز شامل گلوله‌اي، مخروطي، استوانه‌اي، دمبلي، قيفي و شيپوري به‌صورت نظام‌مند از نظر عملكرد در شرايط پايا بررسي شدند. شاخص‌هاي كليدي الكتروسينتيكي، از جمله پتانسيل نفوذي E_diff، جريان اسمزي I_OS، عدد انتقال كاتيوني t_+، بيشينه توان خروجي P_max و بازده بيشينه تبديل انرژي η_max، كمّي‌سازي و تحليل گرديدند. نتايج نشان مي‌دهد كه كانال‌هاي شيپوري‌شكل از نظر مكانيزم دروازه الكترواستاتيكي و گزينش‌پذيري يوني عملكرد برتري دارند و در گراديان‌هاي شوري متوسط (C_H/C_L =100) به مقادير t_+‎>0.98 و η_max فراتر از0.48% دست مي‌يابند. در مقابل، هندسه‌هاي قيفي هدايت يوني را بيشينه كرده و به E_diff=165 mV و P_max‎>6.4 pW مي‌رسند. همچنين هندسه‌هاي گلوله‌اي با كمترين مقاومت هيدروديناميكي، بيشترين جريان يوني اسمزي (≈380 pA) را از خود عبور مي‌دهند. افزايش N_PEL موجب تشديد طرد الكترواستاتيكي و غني‌سازي كاتيوني، به‌ويژه در هندسه‌هاي قيفي و شيپوري، شده و در نتيجه هر دو شاخص E_diff و η_max را افزايش مي‌دهد. برعكس، هندسه‌هاي داراي گلوگاه، مانند كانال‌هاي دمبلي‌شكل، در مقادير بالاي N_PEL به‌دليل پديده‌هاي تخليه يون و بيش‌پوشاني اثرات غربالگري، افت عملكرد را نشان مي‌دهند. اين مطالعه نقش حياتي هندسه و هم‌افزايي لايه نرم را در تنظيم انتقال يون در مقياس نانو و بهينه‌سازي تبديل انرژي اسمزي به الكتريكي آشكار مي‌سازد. اين بستر مدل‌سازي با پاسخ مستقيم به نيازهاي سامانه‌هاي پيشرفته نمك‌زدايي، طراحي بهينه نانو ترانزيستورهاي يوني را براي ارتقاي تبديل انرژي نانوسيالي تسهيل مي‌كند.

1405/02/14

The Effect of Smart Ionic Nanotransistor Geometry on Energy Generation Performance

3/7/2027 12:00:00 AM

Osmotic energy harvesting using nanofluidic reverse electrodialysis (NRED) has emerged as a transformative strategy for sustainable power generation. However, enhancing energy conversion efficiency remains a critical challenge due to competing trade-offs between ionic selec‎tivity an‎d conductance. In this work, we present a comprehensive numerical investigation of ionic nanotransistors featuring negative-positive-negative (NPN)-type channel architectures coated with polyelectrolyte soft layers. A fully coupled Poisson–Nernst–Planck (PNP) an‎d Navier–Stokes (NS) multiphysics framework was developed to unravel the intricate interplay between nanochannel geometry, soft layer charge density (N_PEL ), an‎d imposed salinity gradients (C_H/C_L ). Six distinct geometries, bullet, conical, cylindrical, dumbbell, funnel, an‎d trumpet-shaped, were systematically explored in terms of their performance under steady-state conditions. Key electrokinetic metrics, including diffusion potential (E_diff ), osmotic current(I_OS ), cation transference number (t₊ ), maximum power output (P_max ), an‎d energy conversion efficiency (η_max), were quantified an‎d analyzed. Results show that trumpet-shaped channels exhibit superior electrostatic gating an‎d ion selec‎tivity, achieving t₊ exceeding 0.98, an‎d η_max surpassing 48% under moderate salinity gradients (C_H/C_L≈100). In contrast, funnel-shaped geometries maximize conductance an‎d attain P_max ‎> 6.4 pW, an‎d E_diff=165 mV , albeit at lower efficiency. Furthermore, bullet-shaped geometries with the lowest hydrodynamic resistance allow the highest osmotic current (≈380 pA) to pass through. Increasing N_PEL intensifies electrostatic exclusion an‎d cationic enrichment, particularly in funnel an‎d trumpet morphologies, thereby boosting both Ediff an‎d ηmax. Conversely, geometries with constrictions, such as dumbbell-shaped channels, exhibit performance degradation at high N_PEL due to ion depletion an‎d over-screening effects. This study reveals the critical role of geometry, soft layer synergy in regulating nanoscale ion transport an‎d optimizing osmotic-to-electric energy transduction. By directly addressing the needs of advanced desalination systems, this modeling platform facilitates the optimized design of ionic nanotransistors for enhanced nanofluidic energy conversion.

تبديل انرژي اسمزي , غشاهاي نانوسيالي , الكترودياليز معكوس

Osmotic Energy Conversion , Nanofluidic Membranes , Reverse Electrodialysis

Reza Dolatshahi

Dr.Seyed Nezameddin Ashrafizadeh