检索结果-南通市图书馆

作者：黄卓华中科技大学

学位级别：硕士

自20世纪90年代首次提出单一纳米孔作为一种潜在的快速和低成本的DNA测序工具以来(PNAS,1996,93,13770),关于生物纳米孔、合成纳米孔和纳米沟道等纳流体器件的研究已经得到广泛的报道。纳流体器件由于其纳米尺度涉及多种物理机制耦合,... 详细信息

自20世纪90年代首次提出单一纳米孔作为一种潜在的快速和低成本的DNA测序工具以来(PNAS,1996,93,13770),关于生物纳米孔、合成纳米孔和纳米沟道等纳流体器件的研究已经得到广泛的报道。纳流体器件由于其纳米尺度涉及多种物理机制耦合,比如流体动力学方程、沟道壁面电荷引起的静电学方程、以及描述离子运动的离子输运方程。多物理场耦合使得纳流体器件的物理特性分析十分复杂,目前缺乏清晰明确、一致认同的物理框架。本文基于解耦沟道轴向和径向传输的近似基础,构建盐浓度偏置下纳流体体系的仿真模型-空间电荷模型(Space-Charge Model)。进一步从自建电势的表达式中概述了反离子的非均匀分布所引起的排斥势效应和离子迁移率不同形成的扩散电势效应。并基于两种效应的竞争机制以及仿真模型给各类实验现象提供了物理图景解释,也验证所建动力学模型的正确性。然后提出基于纳流体器件的盐浓度梯度发电的关键性能指标,即输出功率密度和能量转换效率,以及它们对沟道长度、沟道两端盐浓度偏置等纳米沟道参数的依赖性。为了充分利用盐浓度偏差诱导的热能,我们提出了二级逐步利用河流和海洋交汇处激发的热能的纳米沟道器件设计,并对纳米沟道的长度进行优化,实现了热输入功率与能量转换效率之间的最佳平衡。最后针对最近出现的弱电解质在纳流体器件中的输运实验,我们基于电离平衡效应,建立了纳米沟道中弱电解质输运的电动力学模型,并分别利用Poisson-Nernst-Plank(PNP)方程和Navier-Stokes方程描述其离子和流体的输运过程。所建弱电解质模型仿真结果与实验结果十分吻合,进一步预测使用弱电解质浓度偏置比使用强电解质浓度偏置会获得更大的开路电压。

关键词：纳流体器件空间电荷模型能量收集盐浓度梯度弱电解质

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双电层作用下纳米通道内的离子传输及能量转换特性研究

双电层作用下纳米通道内的离子传输及能量转换特性研究

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作者：刘争广西大学

学位级别：硕士

生物细胞通过细胞膜上的离子通道不停地进行新陈代谢活动,与周围环境进行物质交换。受生物离子通道启发,仿生微纳流体器件在各个领域得到了广泛的应用。随着科学技术的进步,仿生智能纳米通道越来越多地被开发用于转换清洁能源,因为它们... 详细信息

生物细胞通过细胞膜上的离子通道不停地进行新陈代谢活动,与周围环境进行物质交换。受生物离子通道启发,仿生微纳流体器件在各个领域得到了广泛的应用。随着科学技术的进步,仿生智能纳米通道越来越多地被开发用于转换清洁能源,因为它们具有良好的可调几何形状和化学性质,其内部的离子传输及能量转换特性吸引了广泛的关注。基于此,本文利用数值模拟方法对纳米通道内的离子传输及能量转换特性进行了系统全面的研究。其主要内容如下:（1）建立重叠双电层纳米通道内的离子传输及流动传热模型,对其离子分布、电位分布、电导以及流动传热特性进行研究。结果表明,溶液浓度依赖性的表面电荷和边界滑移显著影响了离子传输、电导和速度分布,进而影响纳米通道内的流体行为和传热。此外,对双电层重叠时的离子传输特征进行了详细地物理机制分析。（2）建立了非对称双层纳米通道中的离子传输模型,比较了四种类型双层纳米通道的离子整流性能。结果表明,仅存在非对称几何不能诱导离子整流,表面电荷的存在是必要的。此外,当左纳米孔施加负表面电荷、右纳米孔施加正表面电荷时,其具有最好的离子整流性能,并且通过调节表面电荷密度、几何参数和离子浓度可以进一步提高离子整流性能:离子整流比值随着表面电荷密度的增加而增加;当双层纳米通道的总长度固定时,离子整流比值随着左侧纳米孔长度的变化存在一个最优值;此外,低离子浓度有助于提高离子整流性能。（3）构建了压力与温差作用下的离子传输及能量转换模型。全面研究了三种电边界条件下的能量转化性能差异、以及温差作用下的纳米通道功率输出性能。结果表明,在三种不同的电边界条件下,能量转换性能表现出明显的偏差。在低和高溶液浓度/p H下,输出功率减弱,存在一个优化的溶液浓度/p H。在温差作用下,由于离子的迁移能力增强及流体粘度降低,其输出功率得到显著提升。在进一步研究soret效应和粘性耗散效应对纳米通道发电的影响时,发现soret效应对离子传输起着重要作用,而粘性耗散效应可以忽略不计。（4）建立了锥形纳米孔中离子传输与能量转换多物理场耦合模型,深入研究了锥形孔方向、温差方向以及大小对离子传输及能量转换性能的影响。结果表明,正负温差在研究范围内均提高了输出功率,且负温差对输出功率和能量转换效率的增强比正温差更显著。在对温差效应的进一步研究中发现,随着温差的增加,电流、扩散电位和输出功率等能量转换特性显示出近似线性的热响应特征。此外,在浓差和温差作用之间发现了一个有趣的竞争机制,它决定了锥形纳米孔的优先方向,以获得更好的输出性能。

关键词：纳米通道双电层离子传输能量转换纳流体器件

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纳米孔及纳流道中离子输运特性的研究

纳米孔及纳流道中离子输运特性的研究

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作者：郭凌子浙江大学

学位级别：硕士

纳流体器件是指关键尺寸小于或等于100nm的流体器件,主要包括纳米孔结构和纳流道结构,在生物测序、水处理等方面有广阔的应用前景。由于纳流体器件中存在流场-电场-离子运动等多物理场的耦合,又因尺寸减小到纳米级别,因此其中的物理现... 详细信息

纳流体器件是指关键尺寸小于或等于100nm的流体器件,主要包括纳米孔结构和纳流道结构,在生物测序、水处理等方面有广阔的应用前景。由于纳流体器件中存在流场-电场-离子运动等多物理场的耦合,又因尺寸减小到纳米级别,因此其中的物理现象非常复杂,并且通常伴随有强烈的非线性。这种非线性特性是纳流体器件固有存在的,其引发机制目前仍缺乏确定、一致的解释。本文通过数值仿真和数学分析,探究了弱电双层重合(Weak EDL overlap)机制下纳流道器件中离子的传输特性,从电渗流(EOF)和离子反转的角度对器件的非线性Ⅰ-Ⅴ特性做出了解释。此外,还制备了纳米孔器件,并对其电学特性进行了测量。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)搭建了纳流道器件仿真模型。利用Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程和Poisson-Nernst-Planck-Stokes(PNP-S)方程模拟其输运情况。(2)揭示了 EOF对在中等电压强度下对离子电导的抑制效应。利用PROPHET软件仿真流体对输运过程的影响,并用COMSOL Multiphysics软件进行验证,辅以一维数学模型分析,得出了 EOF驱动离子耗尽区进入沟道,并抑制沟道内电导的结论。同时,提出了不同于传统极限电流概念的极限电导行为。(3)验证了高电压强度下离子屏蔽电荷反转效应并揭示其与涡旋产生的关系。通过COMSOL Multiphysics软件和数学模型分析,阐述了高电压下离子屏蔽电荷会发生局部反转这一效应,并从体积力扭矩的角度解释了涡旋的产生原因。结合第二章内容,对纳流体器件的非线性特性做出了解释。(4)制备纳米孔器件并进行电学测量。利用FIB和TEM技术制备尺寸精确可控的纳米孔,利用ALD工艺进行孔径处理;搭建纳米孔器件电测量系统,并完成了初步的电学测量。

关键词：纳流体器件动电效应电渗流离子屏蔽电荷

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基于纳流体的忆阻突触研究

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微纳电子与智能制造 2019年第4期1卷 18-23页

作者：陈可欣何毓辉缪向水华中科技大学光学与电子信息学院武汉430074

忆阻器是一类具有记忆作用的电阻器件,它的忆阻值可以由通过器件的电荷或通量精准调控,在电激励信号撤去之后,其忆阻值也能保持。利用纳米尺度下流体中一些特殊的传输现象,建立了基于纳流体通道系统的界面型忆阻器。通过一系列电学测试... 详细信息

忆阻器是一类具有记忆作用的电阻器件,它的忆阻值可以由通过器件的电荷或通量精准调控,在电激励信号撤去之后,其忆阻值也能保持。利用纳米尺度下流体中一些特殊的传输现象,建立了基于纳流体通道系统的界面型忆阻器。通过一系列电学测试,实现了对纳流体器件电导值连续且非易失的调控作用,证明了该器件的忆阻特性。同时,通过在纳米通道的两端注入互不相溶的两种液体,模拟了重要的生物突触功能,展现了纳流体器件在类脑研究计算方向的应用潜能。

关键词：纳流体器件忆阻器人工突触

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