Numerical study of rectified electroosmotic flow in nanofluidics: Influence of surface charge and geometrical asymmetry

整改 不对称 物理 纳米流体学 机械 流量(数学) 离子流 泊松方程 电渗 离子 流线、条纹线和路径线 电荷(物理) 经典力学 电压 化学 量子力学 色谱法 电泳
作者
Thanh Dam,Choongyeop Lee,Jaiyoung Ryu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (9) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0166095
摘要

The transport of ions in nanofluidic systems, specifically the rectified ion transport or the ionic diode phenomenon occurring in the presence of asymmetrical geometry and/or charge distribution, has drawn considerable attention due to its relevance in energy conversion and biosensing applications. However, previous numerical research has frequently overlooked the concurrent liquid flow within these systems, even though multiple experimental studies have highlighted intriguing flow patterns in ionic diode configurations. In the present study, we employ comprehensive numerical simulations to probe the influence of geometrical or charge asymmetry in a nanofluidic system on electroosmotic flow and ion transport. These simulations employ the Poisson–Nernst–Planck equation in conjunction with the Navier–Stokes equation. Our findings reveal that even when the current rectification trend is consistent between conical and straight nanopores, charge asymmetry and geometric asymmetry can generate significant variations in the rectification effects of electroosmotic flow. Furthermore, our research indicates that the direction of ion rectification and flow rectification can be independently manipulated by utilizing charge asymmetry in conjunction with geometric asymmetry, thereby facilitating advanced control of ions and flows within nanofluidic systems. Collectively, our findings contribute to a more profound understanding of the mechanisms underlying osmotic flow rectification and propose a novel approach for developing efficient ion and flow rectification systems.
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