Моделирование динамики раствора электролита около ионоселективной нанощели

Автор: Владимир Сергеевич Шелистов

Соавторы: Шелистов В.С., Алексеев М.С., Пономарёв Р.Р., Попов В.А., Демёхин Е.А.

Организация: Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Нанощели – каналы толщиной порядка 10^-9÷10^-7 м – активно применяются в микрофлюидных устройствах. Электрическое поле, создаваемое поверхностным зарядом стенок, распространяется на всю толщину нанощели, за счёт чего она приобретает ионоселективные свойства. По сравнению с традиционными ионоселективными мембранами, система щелей со специально подобранной геометрией может обеспечить заданные характеристики устройства сразу, без дополнительного процесса обработки. Нанощели используются для создания нанофлюидных диодов/транзисторов, сепараторов и детекторов заряженных молекул. Особенно интересные результаты были достигнуты в биотехнологии: так, к примеру, удачно подобранная геометрия устройства может локально повышать концентрацию аналита на 6 порядков. При этом, если динамика системы с однородной ионоселективной поверхностью уже поддаётся прямому численному моделированию, то рассмотрение отдельных нанощелей пока ведётся на уровне упрощённых моделей.

В представляемом докладе рассматривается численная модель поведения электролита около заряженной диэлектрической непроницаемой стенки, содержащей одиночную нанощель. Динамика электролита внутри щели задаётся аналитически в виде эффективных краевых условий, а в расчётной области – как решение системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона-Стокса без дополнительных упрощений. Указываются возможные способы обобщения алгоритма численного моделирования для учёта реального поведения электролита в нанощели.