摘要
当管道尺寸缩小到纳米量级时，宏观上的流体输运行为将不再完全适用，出现了诸如离子的整流效应、选择性以及离子的富集与耗散等现象，掌握这些现象的作用机理和规律对于纳流控技术的发展至关重要。另外，了解生物大分子对纳米管道离子输运性质以及整流现象的影响，是解决当前纳流控技术在实际应用中所面临难题的前提基础。针对以上问题，本文主要展开以下几个方面的研究: 通过分子动力学模拟的方法，研究了不同溶液浓度下，纳米管道形状对离子输运的影响。研究表明:同一纳米管道内，离子数量随溶液浓度增加的同时，溶液的黏度也不断变大，进而限制了离子的移动速度，使得离子电流的增长率减小;当纳米管道的形状不同时，由于锥形纳米管道结构的不对称性，其内壁表面的电荷会沿轴向产生从小端到大端的壁面电荷键和能，进而促进离子的轴向移动，使得与圆柱形纳米管道相比锥形纳米管道中的离子电流显著增大，即所谓的信号放大作用。 通过分子动力学模拟的方法，研究了不同溶液浓度下，C60大分子对受限锥形纳米管道中离子整流的影响。研究表明:当中性C60分子在锥形纳米管道内输运时，其自身的体积的作用不仅会增加溶液的局部浓度，还会阻碍管道内离子的定向移动，从而出现过孔电流小于基准电流的现象;而带电C60分子在锥形纳米管道中输运时。随着其带电量的不断增加，一方面由于吸引作用使更多体态液体内的离子进入管道内，另一方面其受到的电场和壁面电荷键和能二者合外力的作用也随之增大，对离子运动的阻碍减弱。两方面叠加作用使得过孔电流随C60分子带电量的增加而升高;与不加C60分子相比，带电C60分子受自身体积、吸引的离子以及合外力三者共同作用，从而出现基准电流随着溶液浓度的增加由小于过孔电流到大于过孔电流变化的现象;正反电场下中性C60分子自身体积对离子的阻碍作用相当，故不影响整流效果;随着C60分子带电量的增加，正反电场下溶液浓度以及离子数量对电流的影响同比上升，故而相互抵消。但由于正向电场下壁面电荷键和能与电场能对带电C60分子的作用力正向叠加，较反向电场时对离子阻碍的减小作用更大，因此整流比随着C60分子带电量的增加而变大。 通过P-97型玻璃微电极拉制仪制备了锥形玻璃纳米管道，并且搭建了用于检测锥形纳米管道内离子电流的四探针试验台，对不同溶液浓度下锥形玻璃纳米管道内的离子电流进行了检测，并验证了前面仿真出现的离子整流现象。
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