纳米静电喷射的分子动力学模拟研究

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纳米级喷管的使用让静电喷射在微纳卫星推进器、纤维制造、质谱检测、药物设计等领域有着更大的应用前景。然而纳米静电喷射的微观机理、影响启动电压的因素以及纯离子喷射的机制并不清晰,对于这些问题,需要对纳米静电喷射系统中流体喷射的物理过程展开专门性研究。本文采用分子动力学方法研究了纳米尺度下静电喷射的基本现象及产生机理。主要研究内容如下:(1)氯化钠电导液纳米静电喷射的现象与机理。研究发现,外电压引起离子分布极化,使得极化电势加强孔口电势降而导致孔口产生高场强,当电场力克服表面张力时静电喷射发生,同时形成:液面成锥—锥失稳—射流产生的循环喷射模式。离子影响泰勒锥氢键结构,射流的破碎区域位于锥顶氢键网格薄弱区。泰勒锥的破碎和泰勒锥的形状有电导液浓度的依赖性。(2)影响启动电压的因素分析。研究发现,喷孔越长,孔径越小,孔口场强相对越大,启动电压越低。喷孔外貌几乎不会对启动电压产生影响。亲水材料的启动电压低于疏水材料,材料越疏水,启动电压越高,而亲水材料的启动电压不会随着亲水性增强而变化。喷孔壁面带电引起孔内反号离子浓度上升,会降低与壁面带电属性相反的离子的启动电压,同时导致正负离子的启动电压不同。温度升高会降低液体表面张力,引起启动电压越低。(3)离子液体BMIMPF6的建模和可靠性研究。基于CHARMM力场,构建离子液体BMIMPF6的模型和力场。通过研究BMIMPF6模型的基本统计物理特性、密度、体积变化率,径向分布,配位数,扩散系数及电导率来验证模型和力场的可靠性。(4)离子液体BMIMPF6静电喷射的特性研究。研究发现,BMIMPF6静电喷射时产生离子束,可以通过提高外加电压、减小孔径、升高温度的方式来控制纯离子喷射的产生,纯离子喷射发生时,喷射速度会骤增。最后,计算了纯离子喷射产生的荷质比,速度、离子电流、推力、比冲和效率,发现纯离子喷射的荷质比和效率得到有效提高。
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