受限纳米通道中离子输运机理的研究

Both simulation and experimental studies of ion transport in sub-10 nm confined nanofluidic channels can improve the quantitative understanding of physical mechanisms on the nanometer scale. This understanding can then be used to exploit the unique properties and to realize potentially revolutionary applications of nanofluidics. The Single solid-state nanopore is used to study the effects of geometrical confinement，surface charge，electrolyte concentration, and applied electric field on ion transport through confined nanochannels, which is fabricated in a free-standing film supported on a Si chip by depositing and etching processes. The film either undergoes thinning by a focused ion beam followed by punching with a TEM electron beam, or undergoes punching with a focused ion beam followed by deposition induced by an electron beam. The continuum fluid dynamics model is corrected based on molecular dynamics simulations and a mathematical model of ion transport in nanochannels is proposed. This model provides quantitative understanding of physical mechanisms and theoretical basis for changing the nature of the fluid and controlling the target analytes in nanochannels. These theoretical and experimental studies can increase the field of nanofluid dynamics, expand the scope of classical fluid dynamics, and eventually develop ultrasensitive single-molecule sensors.

将实验研究与理论模拟相结合，研究尺寸小于10 nm的受限纳米通道中离子输运规律，在此基础上实现对流体的控制和目标分析物的检测。实验研究方面，设计、制造出基于单孔纳米通道的纳流控器件，研究尺寸效应、表面效应、电解质溶液浓度、外加电场等对离子输运的影响。纳米通道是通过沉积、刻蚀工艺在硅基底上形成自支撑的薄膜结构上分别采用聚焦离子束减薄和TEM电子束轰击相结合、聚焦离子束打孔和电子束诱导沉积相结合的两种方法获得。理论研究方面，在分子动力学仿真的基础上，阐明受限纳米通道中离子输运影响因素的作用机制，修正基于连续假设的流体动力学模型，建立纳米通道中离子输运的数学模型，实现控制、改变纳米通道中流体的结构形态和性质。通过本项目的实验与理论研究，将完善微纳流控动力学的基本内容，为发展超灵敏单分子传感器奠定理论基础。

纳流控技术理论的不断完善是促进纳流控技术进行实际应用的重要基础，而其中很多物理现象尚未被完全理解和描述，因此需要通过大量仿真和实验去对所发现的物理现象进行定量描述从而建立相关模型和完善理论。本项目的主要工作如下：(1) 采用分子动力学仿真的方法研究高溶液浓度下离子在锥形纳米通道中的输运。研究发现在高浓度溶液中仅几何形状不对称的受限锥形纳米通道中会出现整流现象，整流比大小随溶液浓度的变化呈现出极值且整流方向受壁面电荷性质的控制。(2) 采用分子动力学仿真的方法研究了不同溶液浓度下，带有不同电荷密度的C60分子通过受限纳米通道时对通道内离子电流的影响。研究结果表明，当电中性的C60分子进入纳米通道中时，通道中反离子的浓度不发生变化，C60分子的体积占位会影响电渗的形成，使得通道内离子的轴向速度下降，导致过孔电流小于基准电流；当荷电的C60分子进入纳米通道中时，随着荷电量的增加，通道内会出现更多的反离子来维持中间区域的电中性，反离子浓度的增大导致电渗速度的增加，引起离子电流的增大，从而出现过孔电流大于基准电流。(3)研究了纳米通道中单壁碳纳米管的体积、贺电量及通道壁面电荷密度对受限纳米通道中离子电流的影响。统计结果表明，电中性的单壁碳纳米管进入通道中所产生的过孔电流始终小于基准电流，且随着碳纳米管的直径增大，过孔电流越小；当碳纳米管荷电且荷电量增加时，在溶液浓度较低时，过孔电流大于基准电流；当溶液浓度较高时，过孔电流小于基准电流，出现电流交叉现象。随着纳米通道壁面电荷密度的增大，电流的交叉点对应的溶液浓度值增大。(4) 针对纳流控技术中纳米通道离子电流检测的需要，搭建了一种纳米通道离子电流检测试验台，并对纳米孔内的离子电流进行了测量。