文 献 综 述
- 引言
纳米尺度下通道内的尺寸效应明显，一些独特的、宏观尺寸下观察不到的现象会在纳米通道内出现。因此，纳米通道内的离子整流现象以及这些现象的潜在应用引起了研究人员广泛的兴趣。纳米通道中充满电解质溶液时，在固液界面处形成双电层（EDL）,该双电层的厚度与纳米通道的尺寸在同一数量级或远大于通道尺寸时，会引起通道表面及通道中电荷分布的变化。当静电作用对离子输运起主导作用时纳米通道中会出现很多不同于体态的离子输运现象。此外，在纳尺度下, 随着尺寸的继续缩小尺寸效应也会更明显：如尺寸介于10 nm〜100 nm的通道中离子输运主要受静电作用的控制，而受相位、水化作用和范德华作用等的影响相对较弱; 但当尺寸继续缩小到10 nm以内时，水化作用、范德华作用与静电作用同等重要，出现了一些受限纳尺度下的特殊的现象。自从1997年Wei,C等人发现纳流体整流效应后，较多的实验对该现象进行了研究：当孔径尺寸与双电层厚度近似时，锥形纳米通道的非均匀孔径会引起不同程度的双电层（EDL）叠加从而引起整流现象；除了几何尺寸的不对称，壁面电荷分布的不对称或者纳米通道两端有浓度梯度变化时所引起非对称的离子分布同样会引起整流现象。对整流现象的研究，目前较多的工作主要讨论在低溶液浓度下溶液浓度、壁面电荷密度、纳米通道形状及孔径和孔长等对整流的影响。但如2004年Hwang,J在论文中所述，在实际的一些工程应用中这样低的离子浓度无论是在进行生物分子的分离、检测或控制的生理溶液中还是离子、质子输运的燃料电池中都不符合科学和工程实际应用的需求。
纳米通道中的带电离子、带电表面以及溶剂间的相互作用复杂，基于连续假设的理论模型忽略粒子尺寸和粒子之间的库伦作用，同时也不计通道中溶液粘度的变化，己经无法解释纳流控中岀现的一些特殊现象SSI,在纳尺度下已不再完全适应, 因此采用分子动力学模型研究纳尺度下的离子分布及输运具有重要的理论意义。本文利用分子动力学模拟的方法，研究了高溶液浓度、壁面电荷性质和密度对受限锥形纳米通道内离子的轴向浓度分布和整流的影响。仿真结果表明，在高浓度溶液中, 在受限的纳尺度下仅几何形状不对称而无双电层的叠加依然会出现较大的离子电流变化，岀现整流现象。
- 技术应用及内容
随着科学技术的发展，近几十年来微型化和纳米化已经成为了化学、物理学、生物科学等众多自然科学以及工程技术领域方面重点研究方向之一。微型制造技术 (Microfabrication)和微细加工(Micromaching)的发展使得微/纳机电系统和微流体器件等微纳化的仪器设备在诸如机械、化学分析和信息技术等方面的应用十分广泛。
纳流控技术在很多的自然学科以及工程技术方面应用前景比较广阔。在纳流控器件中，纳米流体通道相当于电路系统中的电线，不管是进行某种生物分子的检测、操作还是对多种生物分子的分离、删选，或者是化学反应物的高效混合等，物质都需要在纳米流体通道中进行传输，而其中有些往往是可以通过检测离子电流的变化进行确定的。因为通道尺寸的原因，纳米通道中的离子电流值的大小不仅与纳米通道的几何形状、所处电解质溶液的浓度及pH值有关，还与纳米通道内的表面性质，如通道内壁面所带电荷的正负及密度有关，各种因素的影响会使得纳米通道内出现一些不同于宏观的新现象。
研究发现在高浓度溶液中仅几何形状不对称的受限锥形纳米通道中会出现整流现象, 整流比大小随溶液浓度的变化呈现出极值且整流方向受壁面电荷性质的控制。通过 统计离子轴向浓度分布发现，在受限的锥形纳米通道中，因轴向键和能以及双电层厚度变化共同作用的影响，在不同方向外加电场作用下离子在锥形纳米通道中出现不对称的浓度分布引起整流现象。当溶液浓度増大时，轴向键和能变化引起的离子极化现象会更明显而双电层厚度减小则弱化极化现象，二者共同作用的结果导致整流比极值的产生。
3.COMSOL软件简介
随着模拟计算方法以及计算机技术不断的更新，分子动力学模拟软件也日渐增多，如AMBER, GROMACS,COMSOL, NAMD等。这些软件在一定程度上都是相通的，因为它们的基本原理都如上所述，只是在力场的选择上稍有区别。本文的全部模拟都是利用COMSOL软件进行的，下面就对COMSOL进行简单的介绍。
COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。
