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ISMD大三本科生在SCI发表论文:发现纳米通道离子分布规律

ISMD信息存储材料及器件研究所2019-06-08 12:19:07

日前,我院电子专业大三年级本科生季紫薇积极参与科研工作,加入微电子学系信息存储材料及器件研究室,在缪向水教授、何毓辉老师的指导下研究基于纳流体的发电机制,相关研究成果以第一作者身份整理为论文《Impact of Ionization Equilibrium on Electrokinetic Flow of Weak Electrolytes in Nanochannels》,最近在英国物理学会科研期刊 Nanotechnology顺利刊登。

近年来,纳流体通道/纳米孔系统中的电解质已经从强电解质扩展到弱电解质。这些实验证明,带正电的纳米通道膜的离子输运选择性可以用磷酸浓度梯度来调节,而弱电解质浓度梯度驱动的纳流体系统的理论解释仍然不完整。强电解质和弱电解质的离子迁移机制之间的根本区别在于它们在溶液中的不同程度的电离。这种差异因为局部电离度随着浓度梯度而变化,在电解质浓度偏置纳米通道/纳米孔系统中将更加显著。它为纳米通道传输引入了新的物理机制,为其应用带来了更多的可能性。


季紫薇同学在导师指导下,建立了将电离平衡效应纳入描述的纳米通道传输的动电模型,其数值模拟结果与湖南大学羊小海等人在4.0(PSS/ PAH)多层纳米通道膜中的实验观察结果一致,说明弱电解质的电离平衡效应对于相关实验的成功解释是必不可少的。随着电解质浓度沿着通道轴线增加,电双层的电离度和相关厚度减小。因此,盐浓度引起的开路电压和电渗流的幅度与强电解质的幅度大不相同。由于表面电荷效应,当使用弱电解质浓度偏置时,将获得比使用强电解质偏置电压更大的开路电压。文中进一步研究了无机SiO2纳米通道中弱电解质和强电解质的离子迁移,对无机通道中运输的预测与有机通道中的运输预测相反,并且需要对此理论进行未来的实验验证。

季紫薇同学该研究工作的核心难点是考虑电离平衡后,静电学方程与离子输运方程耦合为较难求解的非线性系统。季紫薇同学创造性的运用所学数学物理知识,将该多尺度物理方程做径向和轴向的分离脱耦。据此可以定量求解、分析纳米通道中弱电解质的浓度分布以及发电情况。

综上,该研究工作为基于纳流体的纳米发电机研制提供了新的理论建模与指导,在海水/淡水浓度梯度发电应用上有着良好前景。