微通道中高分子溶液Poiseuille流的耗散粒子动力学模拟-物理学报.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 12 (2013) 124701 微通道中高分子溶液Poiseuille 流的耗散 粒子动力学模拟* 许少锋 汪久根† ( 浙江大学机械工程学系, 杭州 310027 ) ( 2012年12月17 日收到; 2013年3月8 日收到修改稿) 利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD) 方法模拟了微通道中高分子溶液的Poiseuille 流动. 研 究表明, 微通道中的高分子溶液呈现非牛顿流体特性, 可以用幂律流体来描述流动行为, 高分子浓度越大, 幂律指数 n 越小. 高分子链与壁面的流体动力学相互作用以及布朗扩散率梯度控制着高分子链的横向迁移. 由于传统的DPD 方法中壁面诱导的流体动力学作用部分被屏蔽, 高分子链将向壁面方向迁移, 并且随着流场增强, 高分子链向壁面 方向迁移越明显. 未被屏蔽的流体动力学相互作用和布朗扩散率梯度相互竞争, 使高分子链在微通道内的质心分布 呈双峰状, 通道中心处高分子浓度出现局部最小值. 当通道宽度减小、强受限时, 壁面与高分子链间的流体动力学 相互作用可能全部被屏蔽, 而布朗扩散运动弱, 高分子向壁面方向有微弱的迁移. 关键词: 耗散粒子动力学, 高分子溶液, 非牛顿流体, 横向迁移 PACS: 47.11.−j, 47.61. −k, 87.15.N− DOI: 10.7498/aps.62.124701 应的增强, 在这些强受限条件下, 管壁严重影响高 1 引言 分子的构型和流动行为. 研究者已分别从实验、理 论和计算机模拟等方面研究了高分子在通道宽度 高分子溶液在微通道中的动力学和输运已经 方向上的迁移(横向迁移)、高分子链构型分布以及 受到越来越多的关注, 其应用背景涉及到分离技 高分子链对流体速度场的影响, 揭示高分子溶液在 1 微通道中流动行为和结构变化. 实验方面, Perkins 术、高分子成型加工和石油开采等 . 近年来, 随 6 着生物医疗微流控器械的发展, 生物大分子在微纳 等 利用光镊子和荧光成像技术, 研究了DNA 在 2 均匀流中的拉伸特性, 观察到了DNA 链7 种不同 通道中输运成为研究热点, 例如DNA 测序 、基 3 的构型. Zheng 和Yeung78 的实验显示DNA 在毛 因治疗中DNA 通过微毛细管 、人工肝治疗中白 4 细管电泳中会发生横向迁移, 迁移的方向取决于施 蛋白通过纤维膜微孔 以及DNA 穿过核膜孔、蛋 5 9 白质通过生物膜通道 等. 了解高分子在微通道 加电场的方向. Fang 等 通过荧光显微技术获得 内的流动输运特性, 有助于揭示生物系统中大分子 了λ -DNA 在微通道Poiseuille 流动中的构型分布 的输运现象, 同时对于生物医疗微流控器械的设计 和密度分布, 实验发现DNA 链向着远离壁面的方 10 和制造至关重要.