纳米通道中离子输运机理的分子动力学仿真-中国科学.PDF

中国科学 E 辑 : 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 2 期 : 249 ~ 255 SCIENCE IN CHINA PRESS 纳米通道中离子输运机理的分子动力学仿真 ① ①②* ① ① 陈敏 , 陈云飞 , 仲武 , 杨决宽 ① 东南大学机械工程学院, 南京 210096 ② MEMS 教育部重点实验室, 南京 210096 * E-mail: yunfeichen@ 收稿日期: 2007-05-25; 接受日期: 2007-08-18 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2006CB300404)、国家自然科学基金项目(批准号:、江苏省自然科学基 金项目(批准号: BK2006510)、教育部博士点基金项目(批准号: 20050286019)和新世纪优秀人才支持计划项目(批准号: NCET-04-0470)资助 摘要 建立了一种两端带有缓冲液池的纳米通道流体电动输运的分子动力学模型, 仿真 关键词 了纳米通道中的离子输运过程. 结果表明, 纳米通道的带电表面会引起双电层(EDL)域中反 离子输运 号离子的富余及同号离子的衰减, 在外加电场作用下, 通道中正负离子的定向移动将产生稳 纳米通道 定的电泳电流, 该电流主要由EDL 域中占主导地位的反号离子的定向移动产生; 当EDL 域 分子动力学仿真 + − 传输效率 与外界有离子交换时, 电场的作用会导致EDL 域内Na 和Cl 离子数量的减少, 平衡后, EDL 域的电中性将受到破坏, 对外显示的电性取决于表面电荷的特性; EDL 域内离子分布与连续 + 理论预测的结果相差很大, 如壁面附近Na 浓度峰值远低于理论预测值; 提高表面电荷密度 可以有效提高反号离子在通道中的传输效率, 同时降低同号离子的传输效率. 仿真结果证实 了经典扩散双电层理论模型无法准确描述纳米通道中的离子分布, 探明了相关实验现象的 产生机理以及纳米通道中离子传输效率与表面电荷密度的关系, 为纳米泵的设计及应用提 供了理论依据. 多数固体物质在与水溶液接触时, 由于固体物 近些年来, 对纳米通道中的电动输运现象开展 质本身的离子化, 离子吸附以及离子溶解等机理, 固 了很多实验研究, 通道中的电流及电导率大小是描 体表面上会获得电荷[1]. 通过带电表面对溶液中离子 述离子输运效率的重要指标. 实验结果表明, 溶液的 的作用, 在靠近表面的一个区域将形成双电层(EDL). 浓度和EDL 的表面电荷密度是影响通道中电流及电 EDL 内的离子在外加电场的作用下将发生定向移动, 导率大小的两个主要因素. Stein等人[2]测量了高度为 从而产生一系列电动现象, 如电泳、电渗等. 纳米尺 70~1000 nm 通道中的电导率, 观察到当溶液浓度低 度上的电动输运(electrokinetic transport)易于实现和 到一定程度时, 电导率远大于理论预测值, 此时溶液 控制, 在分析化学、生物医学以及微机电系统(MEMS) 浓度和通道尺寸的变化不再影响电导率大小, 表面