PET纳米孔道中的离子输运及磁控效应研究
发布时间：2021-08-25 01:28
自然界生物体中离子通道的离子和分子定向输运对于生物系统起着信号传导、能量转移等作用。受生物体中离子通道的启发,研究者们利用各种材料制备了多种人工纳米孔道,如高分子膜离子径迹纳米孔、生物蛋白分子纳米孔、无机材料微纳加工纳米孔等。这些纳米孔道的材料性质、表面属性和形状结构与其特异性紧密相关,在能量转换、响应性纳米开关、DNA检测和离子、分子的筛选方面显示出了优异的性能,部分研究已经初步实现了产业化。基于离子辐照潜径迹蚀刻技术制备的高分子膜微纳孔道已经在离子整流、过滤和响应性开关等研究中展现出精确可控、易于修饰的优势。但是多价态离子在纳米孔道中的传输行为研究深度不足,一些新的整流现象机理还不清楚,同时基于磁场响应的非接触式可控纳米孔道鲜有报道。本论文利用高能微束装置单离子辐照和径迹蚀刻成功制备了单锥形PET纳米孔道,深入研究了纳米孔道的多价态离子传输行为和调控机理,制备了一种快速响应的磁控纳米孔道。通过电化学实验测量和有限元多物理场仿真系统地研究了PET单锥形纳米孔道内的离子输运。研究发现高浓度金属离子可影响PET纳米孔道表面电荷密度,二价和三价阳离子（Mg2+、Cr3+和Fe3+）通过物理...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于离子束蚀刻技术制备的纳米孔道示意图，装置的上层是一种透明的玻璃薄片，下层是单晶硅[9]
第1章绪论7图1.6基于分子动力学模拟的MoS2纳米孔道模型，MoS2纳米孔道利用孔道的离子选择性可以将将盐差能转化为电能[17]。Figure1.6AMoS2nanochannelbasedonmolecular-dynamicssimulations.WiththeionselectivityofMoS2nanochannels,salinityenergycanbeconvertedtoelectricenergy[17].除了盐差能之外太阳能也是可再生并且储量极大的清洁能源之一。相比于其他清洁能源，太阳能所受的地域限制较小，能源体量巨大，因此对太阳能的利用和转化是一个经久不衰的方向和课题。为了将太阳能转化为电能，在2010年闻利平等人[19]受到生物系统中质子泵的启发设计了一个可以转化光能的循环离子流系统。如图1.7所示，溶液中的HA分子（8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐）在紫外光的作用下可以分解成离子状态从而在光照区域源源不断地提供氢离子。修饰C4-DNA的纳米孔道具有氢离子选择性，氢离子通过浓度差的扩散作用可以穿过系统底部，并且最终在无光区域与A-离子重新结合成HA分子从而形成氢离子流的内部循环成功将光能转化为电能。这是有一个非常大胆和具有想象力的实验设计，可以为之后的光电转换提供宝贵的思路，但是目前通过这种方式形成的光电转换能力非常有限，光电转换效率比较低。这种研究以及类似的系统可以为解决某些户外设备的能源问题提供一种新的思路。从小于100℃的热源中提取能量是一种特别困难的事，因为以现有技术从低温热源中获取能量是一件比较困难的事情。在2016年，Straub等人成功利用疏水性聚四氟乙烯（PTFE）薄膜制备的纳米孔道从低能热源中提取出热能，并将它们最终转化为机械能[20]。他们设计的蒸汽循环系统可以将热渗蒸汽由热储层输运到冷储层从而产生压力完成热能的提取和转换。聚四氟乙烯薄膜制备的纳米孔道可以在13bar的
第1章绪论13负时，纳米孔道的电流值反而比较校出现这种现象的原因是氢离子在一定的浓度下可以与PET纳米孔道内表面的羧基结合，从而形成羧基的质子化使纳米孔道的内表面带正电。受到各种现实实验条件和成本的限制，想要在实际实验中获得纳米孔道内的一些物理量的具体分布情况是非常困难的，相比之下采用模拟的方式则更为方便快捷。对于纳米孔道的模拟，通常都是采用PNP（Poisson–Nernst–Planck）公式来建立纳米孔道模型，图1.10中是Cheng等人[42]建立的纳米孔道模型，分别为表面带负电的锥形纳米孔道、存在一定浓度并且表面带负电的柱形纳米孔道以及左右两侧表面分别带有负电荷和正电荷的柱形纳米孔道。这种模拟方法可以更直观的观测到电场大小和方向不同时纳米孔道内离子浓度的变化。模拟结果表明电场方向和大小不同时纳米孔道内的离子浓度差异较大，纳米孔道的电阻值也会随着电场的变化而变化，从而造成电场方向不同时电流值的大小出现差异。图1.10利用COMSOL软件模拟不同孔型纳米孔道内离子浓度的分布随电场的变化[42]。Figure1.10COMSOLsimulationoftheionconcentrationdistributioninthedifferent
本文编号：3361110
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于离子束蚀刻技术制备的纳米孔道示意图，装置的上层是一种透明的玻璃薄片，下层是单晶硅[9]
第1章绪论7图1.6基于分子动力学模拟的MoS2纳米孔道模型，MoS2纳米孔道利用孔道的离子选择性可以将将盐差能转化为电能[17]。Figure1.6AMoS2nanochannelbasedonmolecular-dynamicssimulations.WiththeionselectivityofMoS2nanochannels,salinityenergycanbeconvertedtoelectricenergy[17].除了盐差能之外太阳能也是可再生并且储量极大的清洁能源之一。相比于其他清洁能源，太阳能所受的地域限制较小，能源体量巨大，因此对太阳能的利用和转化是一个经久不衰的方向和课题。为了将太阳能转化为电能，在2010年闻利平等人[19]受到生物系统中质子泵的启发设计了一个可以转化光能的循环离子流系统。如图1.7所示，溶液中的HA分子（8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐）在紫外光的作用下可以分解成离子状态从而在光照区域源源不断地提供氢离子。修饰C4-DNA的纳米孔道具有氢离子选择性，氢离子通过浓度差的扩散作用可以穿过系统底部，并且最终在无光区域与A-离子重新结合成HA分子从而形成氢离子流的内部循环成功将光能转化为电能。这是有一个非常大胆和具有想象力的实验设计，可以为之后的光电转换提供宝贵的思路，但是目前通过这种方式形成的光电转换能力非常有限，光电转换效率比较低。这种研究以及类似的系统可以为解决某些户外设备的能源问题提供一种新的思路。从小于100℃的热源中提取能量是一种特别困难的事，因为以现有技术从低温热源中获取能量是一件比较困难的事情。在2016年，Straub等人成功利用疏水性聚四氟乙烯（PTFE）薄膜制备的纳米孔道从低能热源中提取出热能，并将它们最终转化为机械能[20]。他们设计的蒸汽循环系统可以将热渗蒸汽由热储层输运到冷储层从而产生压力完成热能的提取和转换。聚四氟乙烯薄膜制备的纳米孔道可以在13bar的
第1章绪论13负时，纳米孔道的电流值反而比较校出现这种现象的原因是氢离子在一定的浓度下可以与PET纳米孔道内表面的羧基结合，从而形成羧基的质子化使纳米孔道的内表面带正电。受到各种现实实验条件和成本的限制，想要在实际实验中获得纳米孔道内的一些物理量的具体分布情况是非常困难的，相比之下采用模拟的方式则更为方便快捷。对于纳米孔道的模拟，通常都是采用PNP（Poisson–Nernst–Planck）公式来建立纳米孔道模型，图1.10中是Cheng等人[42]建立的纳米孔道模型，分别为表面带负电的锥形纳米孔道、存在一定浓度并且表面带负电的柱形纳米孔道以及左右两侧表面分别带有负电荷和正电荷的柱形纳米孔道。这种模拟方法可以更直观的观测到电场大小和方向不同时纳米孔道内离子浓度的变化。模拟结果表明电场方向和大小不同时纳米孔道内的离子浓度差异较大，纳米孔道的电阻值也会随着电场的变化而变化，从而造成电场方向不同时电流值的大小出现差异。图1.10利用COMSOL软件模拟不同孔型纳米孔道内离子浓度的分布随电场的变化[42]。Figure1.10COMSOLsimulationoftheionconcentrationdistributioninthedifferent
本文编号：3361110
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