Влияние изменения сечения наноканалов на их электрогидродинамические характеристики

Влияние изменения сечения наноканалов на их электрогидродинамические характеристики

Автор: Шелистов В.С., Попов В.А., Алексеев М.С., Демхин Е.А.

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 3 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

Описание течения раствора электролита в наноканалах переменного сечения - одна из открытых тем электрогидродинамики малых масштабов. Она приобрела особую актуальность с появлением возможности изготовления каналов шириной вплоть до десяти нанометров и их практической востребованности. Помимо электрического поля, образующегося в канале вследствие разности потенциалов на его входе и выходе, существенным оказывается поле, создаваемое за счёт поверхностного заряда стенок. Предположение о малости толщины слоя Дебая, приводящее к упрощению задачи, для наноканалов может не оправдываться. Кроме того, возникают сложности исследования, связанные с правомерностью применения гипотезы сплошности и условия прилипания на жёсткой стенке. В настоящей работе предлагается подход, для которого важна малая плотность поверхностного заряда во всём канале, а не малая толщина дебаевского слоя. Считается, что параметры течения в тангенциальном стенкам направлении изменяются медленно по сравнению с изменениями в направлении, нормальном стенкам. Это позволяет осуществить в системе уравнений Нернста-Планка, Пуассона и Навье-Стокса, описывающей течение, усреднение по нормальной координате, аналогичное усреднению Кармана-Польгаузена, и свести систему к нелинейному дифференциальному уравнению относительно некоторой одномерной функции. Для выведенного уравнения выясняются качественные последствия невыполнения условия прилипания на границе, анизотропности коэффициентов диффузии и вязкости. Численно анализируются установившиеся течения в простейших диффузорных и конфузорных каналах с целью качественного понимания поведения раствора электролита в более сложных системах. Предложенная модель допускает обобщение на электролиты с произвольным числом различных ионов, в частности, на тройной (тернарный) электролит, который делает возможным описание более сложных эффектов типа локальной концентрации заряженных частиц.

Еще

Наноканал, дебаевский слой, система уравнений нернста-планка, пуассона, навье-стокса, электроосмос, поверхностный заряд, конечно-разностные схемы, метод рунге-кутты

Короткий адрес: https://sciup.org/143180526

IDR: 143180526   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.3.30

Список литературы Влияние изменения сечения наноканалов на их электрогидродинамические характеристики

  • Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 700 с.
  • Probstein R.F. Physicochemical hydrodynamics: An introduction. New York: John Wiley and Sons Inc., 1994. 416 p. https://doi.org/10.1002/0471725137
  • Sand H.J.S. On the concentration at the electrodes in a solution, with special reference to the liberation of hydrogen by electrolysis of a mixture of copper sulphate and sulphuric acid // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1901. Vol. 1, No. 1. P. 45-79. https://doi.org/10.1080/14786440109462590
  • Стойнов З.Б., Графов Б.М., Саввова-Стойнова Б.С., Елкин В.В. Электрохимический импеданс. М.: Наука, 1991. 336 с.
  • Siraev R., Ilyushin P., Bratsun D. Mixing control in a continuous-flow microreactor using electro-osmotic flow // Math. Model. Nat. Phenom. 2021. Vol. 16. 49. https://doi.org/10.1051/mmnp/2021043
  • Сираев Р.Р., Брацун Д.А. Численное моделирование электрогидродинамической конвекции, генерируемой быстро осциллирующей автоэлектронной эмиссией // Вычисл. мех. сплош. сред. 2022. Т. 15, № 2. С. 193-208. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.2.15
  • Chang H.-C., Yeo L.Y. Electrokinetically-driven microfluidics and nanofluidics. Cambridge University Press, 2010. 526 p.
  • Ничка В.С., Мареев С.А., Порожный М.В., Шкирская С.А., Сафронова Е.Ю., Письменская Н.Д., Никоненко В.В. Модифицированная микрогетерогенная модель для описания электропроводности мембран в разбавленных растворах электролитов // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9, № 3. С. 222-232. https://doi.org/10.1134/S2218117219030027
  • Франц Е.А., Артюхов Д.А., Киреева Т.С., Ганченко Г.С., Демёхин Е.А. Образование и отрыв вихрей от поверхности заряженной диэлектрической микрочастицы в сильном электрическом поле // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 1. С. 134 141. https://doi.org/10.31857/S0568528121010047
  • Schnitzer O., Yariv E. Nonlinear electrophoresis at arbitrary field strengths: small-Dukhin-number analysis // Phys. Fluids. 2014. Vol. 26. 122002. https://doi.org/10.1063/1.4902331
  • Wang Y.-C., Stevens A.L., Han J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter // Anal. Chem. 2005. Vol. 77. P. 4293-4299. https://doi.org/10.1021/ac050321z
  • Wang S.-C., Wei H.-H., Chen H.-P., Tsai M.-H., Yu C.-C., Chang H.-C. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes // Biomicrofluidics. 2008. Vol. 2. 014102. https://doi.org/10.1063/1.2904640
  • Некрасов О.О., Смородин Б.Л. Электроконвекция слабопроводящей жидкости при униполярной инжекции и нагреве сверху // Вычисл. мех. сплош. сред. 2022. T. 15, № 3. С. 316-332. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.3.24
  • Bruus H. Theoretical microfluidics. Oxford: Oxford University Press, 2007. 288 p.
  • Liu C., Li Z. On the validity of the Navier-Stokes equations for nanoscale liquid flows: The role of channel size // AIP Advances. 2011. Vol. 1. 032108. https://doi.org/10.1063/1.3621858
  • Rudyak V., Belkin A. Molecular dynamics simulation of fluid viscosity in nanochannels // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2018. Vol. 9, No. 3. P. 349-355. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2018-9-3-349-355
  • Андрющенко В.А., Рудяк В.Я. Самодиффузия молекул флюида в наноканалах // Вестн. Томск. гос. ун-та. Матем. и мех. 2012. № 2(18). С. 63-66.
  • Nguyen N.-T., Wereley S.T. Fundamentals and applications of microfluidics. London: Artech House Publishers, 2002. 471 p.
  • Malkin A.Ya., Patlazhan S.A., Kulichikhin V.G. Physicochemical phenomena leading to slip of a fluid along a solid surface // Russ. Chem. Rev. 2019. Vol. 88. P. 319-349. https://doi.org/10.1070/RCR4849
  • Bazant M. The electric double layer in concentrated electrolytes and ionic liquids // The 14th International Symposium on Electrokinetics. ELKIN, Tel-Aviv, Israel, July 4-6, 2022. P. 87. https://web2.eng.tau.ac.il/wtest/elkin2022/wp-content/uploads/2022/07/program-abstracts-new.pdf
  • Mani A., Zangle T.A., Santiago J.G. On the propagation of concentration polarization from microchannel-nanochannel interfaces. Part I: Analytical model and characteristic analysis // Langmuir. 2009. Vol. 25. P. 3898-3908. https://doi.org/10.1021/la803317p
  • Zangle T.A., Mani A., Santiago J.G. On the propagation of concentration polarization from microchannel-nanochannel interfaces. Part II: Numerical and experimental study // Langmuir. 2009. Vol. 25. P. 3909-3916. https://doi.org/10.1021/la803318e
  • Mani A., Bazant M.Z. Deionization shocks in microstructures // Phys. Rev. E. 2011. Vol. 84. 061504. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.84.061504
  • Yaroshchuk A. Over-limiting currents and deionization “shocks” in current-induced polarization: Local-equilibrium analysis // Adv. Colloid Interface Sci. 2012. Vol. 183-184. P. 68-81. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.08.004
  • Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
  • Nikitin N.V. Third-order-accurate semi-implicit Runge-Kutta scheme for incompressible Navier-Stokes equations // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 2006. Vol. 51. P. 221-233. https://doi.org/10.1002/fld.1122
  • Франц Е.А., Шиффбауэр Дж., Демёхин Е.А. Экспериментальное исследование выпрямления электрического тока в жидкостных микродиодах на основе электрокинетической неустойчивости // Экологический вестник НЦ ЧЭС. 2014. T. 11, № 3. С. 69-74.
  • Chang H.-C., Yossifon G., Demekhin E.A. Nanoscale electrokinetics and microvortices: How microhydrodynamics affects nanofluidic ion flux // Annu. Rev. Fluid Mech. 2012. Vol. 44. P. 401-426. https://doi.org/10.1146/ANNUREV-FLUID-120710-101046
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp