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随着微流体系统,尤其是生物芯片和缩微芯片实验室技术的发展,微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动与控制技术越来越引起人们的注意.基于连续介质假设,Poisson-BoltzRann方程和Nayier-Stokes方程的连续性理论在处理微米尺度以上的电渗流时取得了相当大的成功。当管径减小至纳米级时,连续性理论是否仍然能够用于描述纳米尺度的电渗就很值得探讨。而在纳米级通道中捕获单个大分子是很多生物分子的应用首先要解决的问题。
利用分子动力学模拟方法,首先模拟了不同间距的硅平板对于受限于其中的水分子的结构性质的影响,结果表明:受限水呈现出与体态水完全不同的结构性质,主要是由于硅壁的影响。对大间距,硅壁的吸引力造成了其附近形成两个明显的水层,其中的水分子平行于壁面形成氢键,中心区域水呈现体态结构;而对小间距,水密度峰值数量减小,水分子中的O-H键近似垂直于壁面,与临近的水层形成氢键,构成稳定的结构。
通过在两平行板上添加表面电荷,对间距为2.9nm两平行板问的电渗现象进行了研究.模拟结果表明,在双电层靠近中间的区域内,同号离子的数目大于对离子的数目,出现了电荷倒置现象,其原因是由于固体板及表面电荷对氯离子、钠离子不同的作用特性,诱导了电荷过度补偿,导致中间区域内氯离子数量少于钠离子数:Z向三分之二的区域内,分子动力学模拟的电渗流的流向与连续性理论预测的流向相反,出现了反转电渗流,原因可归于脱水化氯离子致密层的形成和电荷倒置两个因素。
最后模拟了间距为2.9nm两硅平板间基于电渗力捕捉单个大分子,结果表明:系统中加入大分子后,在双电层靠近中间的区域内,电荷倒置现象依然存在,但其强度有所减弱;由于系统中加入了大分子,使得大分子在电渗力的拖拽作用下速度有明显降低,为实现大分子的完全剥离提供了依据。